ما هي الطاقة الكامنة؟

مفهوم الطاقة الكامنة:

يمكن لأي جسم تخزين الطاقة كنتيجة لموقعه، على سبيل المثال، الكرة الثقيلة لآلة الهدم تخزن الطاقة عند الإمساك بها في وضع مرتفع، حيث يشار إلى هذه الطاقة المخزنة في الموضع باسم الطاقة الكامنة.
وبالمثل، فإن القوس المسحوب قادر على تخزين الطاقة كنتيجة لموقعه، فعند افتراض موضعه المعتاد (أي عند عدم السحب)، فإنه لا توجد طاقة مخزنة في القوس، ومع ذلك، عندما يتم تغيير موضعه عن موقع التوازن المعتاد، يكون القوس قادرًا على تخزين الطاقة بحكم موقعه، كما يشار إلى هذه الطاقة المخزنة في الموضع باسم الطاقة الكامنة، حيث يمكن تعريف الطاقة الكامنة على أنها الطاقة المخزنة للوضع الذي يمتلكه الجسم.

كما يوضح المثالان أعلاه شكلين من الطاقة الكامنة التي ستتم مناقشتها، وهي طاقة وضع الجاذبية وطاقة الوضع المرنة، إذ أن الطاقة الكامنة للجاذبية هي الطاقة المخزنة في جسم ما نتيجة وضعه الرأسي أو ارتفاعه، حيث يتم تخزين الطاقة كنتيجة لجاذبية الأرض للجسم.

قياس الطاقة الكامنة:

تعتمد طاقة الجاذبية الكامنة للكرة الضخمة لآلة التدمير على متغيرين هما: كتلة الكرة والارتفاع الذي تم رفعها إليه، كما أن هناك علاقة مباشرة بين طاقة الجاذبية الكامنة وكتلة الجسم/، حيث تمتلك الأجسام الأكثر ضخامة طاقة وضع جاذبية أكبر.
وهناك أيضًا علاقة مباشرة بين طاقة وضع الجاذبية وارتفاع الجسم، إذ أنه كلما زاد ارتفاع الجسم، زادت طاقة الجاذبية الكامنة، بحيث يتم التعبير عن هذه العلاقات بالمعادلة التالية:

طاقة الوضع الكامنه =الكتلة* شدة مجال الجاذبية* الارتفاع

PE_grav = m * g * h

ففي المعادلة أعلاه، تمثل m كتلة الجسم، ويمثل h ارتفاع الجسم ويمثل g شدة مجال الجاذبية (9.8 N / kg على الأرض)، كما يشار إليها أحيانًا باسم تسارع الجاذبية.

لتحديد طاقة الجاذبية الكامنة لجسم ما، يجب أولاً تعيين موضع ارتفاع صفري بشكل تعسفي، وعادة ما تعتبر الأرض موضع ارتفاع صفري، لكن هذا مجرد موقف تم تعيينه بشكل تعسفي يتفق عليه معظم الناس، ونظرًا لأن العديد من مختبراتنا تتم على أجهزة كمبيوتر لوحي، فمن المعتاد غالبًا أن يتم تعيين سطح الطاولة ليكون موضع ارتفاع صفري.
على سبيل المثال إذا كان سطح الطاولة هو موضع الصفر، فإن الطاقة الكامنة لجسم ما تعتمد على ارتفاعه بالنسبة إلى سطح الطاولة، فمثلاً يمتلك البندول الذي يتأرجح من أعلى سطح الطاولة طاقة كامنة يمكن قياسها بناءً على ارتفاعه فوق سطح الطاولة، كما أنه ومن خلال قياس كتلة البوب ​​وارتفاعه فوق سطح الطاولة، يمكن تحديد الطاقة الكامنة للبوب.
ونظرًا لأن طاقة الجاذبية الكامنة لجسم ما تتناسب طرديًا مع ارتفاعه فوق موضع الصفر، فإن مضاعفة الارتفاع سيؤدي إلى مضاعفة طاقة وضع الجاذبية، كما ستؤدي مضاعفة الارتفاع إلى ثلاثة أضعاف طاقة وضع الجاذبية.

قياس الطاقة الكامنة المرنة:

تُعد الطاقة الكامنة المرنة الشكل الثاني للطاقة الكامنة، حيث يمكن تعريفها على أنها الطاقة المخزنة في المواد المرنة نتيجة لشدها أو ضغطها، كما يمكن تخزين الطاقة الكامنة المرنة في الأربطة المطاطية وأوتار البنجي والترامبولين والينابيع وسهم مرسوم في القوس وما إلى ذلك، بحيث ترتبط كمية الطاقة الكامنة المرنة المخزنة في مثل هذا الجهاز بكمية امتداد الجهاز فكلما زادت الطاقة المخزنة فإنها ستمتد بشكل أكثر.
تعتبر الينابيع مثالًا خاصًا على الجهاز الذي يمكنه تخزين الطاقة الكامنة المرنة بسبب الضغط أو التمدد، إذ أن القوة المطلوبة لضغط الزنبرك تزداد كلما زاد ذلك الضغط، وبالنسبة لبعض الينابيع، فإن مقدار القوة يتناسب طرديًا مع مقدار التمدد أو الانضغاط (x)، حيث يُعرف ثابت التناسب بثابت الربيع (k).
Fspring = k*x
ويقال أن هذه الينابيع تتبع قانون هوك، فإذا لم يتم شد الزنبرك أو ضغطه، فلا توجد طاقة محتملة مرنة مخزنة فيه، إذ يقال إن الربيع في وضع توازنه، حيث يُشير موضع التوازن إلى الموضع الذي يفترضه الزنبرك بشكل طبيعي عندما لا توجد قوة مطبقة عليه.
ومن حيث الطاقة الكامنة فيمكن تسمية وضع التوازن بوضع الطاقة المحتمَل الصفري، إذ توجد معادلة خاصة للزنبركات تربط كمية الطاقة الكامنة المرنة بكمية التمدد (أو الانضغاط) وثابت الزنبرك، والمعادلة على ذلك هي:

PE_spring = 0.5 • k • x²

للتلخيص، الطاقة الكامنة هي الطاقة المخزنة في جسم ما بسبب موقعه بالنسبة إلى موضع صفري، حيث يمتلك الجسم طاقة وضع الجاذبية إذا تم وضعه على ارتفاع أعلى (أو أقل) من ارتفاع الصفر، كما يمتلك الجسم طاقة كامنة مرنة إذا كان في موضع على وسط مرن غير وضع التوازن.

أشكال طاقة الوضع:

لا تقتصر على نوع واحد، بل تتنوع وتوجد عدة أشكال منها مع بقاء المفهوم العام ثابتًا، وهذه الأشكال هي:

الطاقة الكامنة الثقاليَّة:

هي الطاقة الموجودة في جسم ما عند وضعه على ارتفاع عن نقطة مرجعية هي الأرض في معظم الأحيان، إذ يكتسب هذا الجسم طاقة تتناسب طردياً مع كتلته كما في القانون الذي سبق وذكرناه، وعند ترك هذا الجسم ليسقط بتأثير ثقله فإن طاقته الكامنة الثقالية التي اكتسبها ستتحول تدريجيًا إلى طاقة حركية تبلغ ذروتها قبيل ارتطامه بسطح الأرض، حيث تكون طاقة الوضع قد تحولت بشكلٍ كاملٍ إلى طاقة حركية.

الطاقة الكامنة المغناطيسية:

يتكون المغناطيس من قطبين موجب وسالب، ويؤثر هذان القطبان على المعادن، حيث يجذبها القطب السالب وينفرها القطب الموجب، وإذا كانت مشحونة إيجابًا والعكس صحيح، فكل مغناطيس يولد قطباه حقلًا مغناطيسيًا لمسافة معينة تؤثر على الأجسام المعدنية الموجودة ضمن الحقل، وبذلك نستطيع القول أنَّ الطاقة المخزنة ضمن الحقل المغناطيسي هي طاقة كامنة.

الطاقة الكامنة الكهربائية:

إنَّ عملية فصل الشحنات عن بعضها ستؤدي إلى حالة من فرق الكمون الكهربائي، حيث أنها ستؤثر في الإلكترونات ذات الشحنة السالبة، وتكسبها طاقة كامنة كهربائية تدفعها للتحرك إلى القطب الموجب لتنتج التيار الكهربائي.

الطاقة الكامنة الكيميائية:

هي الطاقة التي تمتلكها المادة بناءً على تكوينها ونوع وعدد الروابط التي تجمع ذراتها والتي تكسبها صفات معينة تجعلها تدخل في تفاعلات لتعبر عنها بشكلٍ آخر كالحرارة، فمثلًا عند تعريض الوقود الأحفوري لشعلة نار صغيرة، ستتحول طاقته الكامنة الكيميائية إلى حرارة نتيجة تفاعل الاحتراق الحاصل.

الطاقة المرنة:

ينتج هذا النوع من الطاقة عند التأثير بقوة كبيرة على أي جسم مرن، مما يؤدي إلى تغيير في وضع هذا الجسم ولكن ضمن حدود مرونته، كما أنه يكسب طاقة تزداد بازدياد القوة المؤثرة وتنقص بنقصانها، وفور زوال هذه القوة ستبدأ طاقة الوضع في هذا الجسم بالتعبير عن نفسها بطاقة حركية، تمامًا كما يحدث عن ضغط أو شد النابض، وكلما زاد الضغط، زادت القوة المطلوبة لضغطه بشكل أكبر، وموضع التوازن هو الموضع الذي يفترضه الزنبرك بشكل طبيعي عندما لا توجد قوة مطبقة عليه.