في تجربتنا اليومية ، نفهم كلمة الطاقة ونستخدمها كشيء مرتبط دائمًا بالحركة. على سبيل المثال ، لكي تعمل السيارة ، تحتاج إلى وقود ، وللبشر العمل والقيام بمهامهم اليومية التي يتعين عليهم تناولها. هنا نربط كل من الوقود والطعام بالطاقة. من الآن فصاعدًا سوف نتحرك نحو تعريف أكثر دقة للطاقة.
حركة السيارة أو الشخص أو أي جسم لديه طاقة ، هذه الطاقة المتعلقة بالحركة تسمى الطاقة الحركية. يمكن للجسم المتحرك ، الذي يمتلك طاقة حركية ، القيام بعمل من خلال ملامسته لجسم أو جسم آخر ونقل الطاقة إليه.
ومع ذلك ، يمكن أن يحتوي الجسم الساكن أيضًا على طاقة ، مما يجعله غير كافٍ لمجرد ربط مفهوم الطاقة بالحركة. على سبيل المثال ، الجسم الساكن على ارتفاع معين من الأرض لديه طاقة. هذا الكائن ، عند التخلي عنه ، يبدأ حركة ويزداد سرعته بمرور الوقت ، وهذا يحدث لأن قوة الوزن تؤدي وظيفة وتجعلها تتحرك ، أي أنها تكتسب الطاقة حركية. يقال إن الجسم الساكن لديه طاقة تسمى طاقة وضع الجاذبية ، والتي تختلف وفقًا لارتفاعه بالنسبة إلى الأرض.
شكل آخر من أشكال الطاقة هو الطاقة الكامنة المرنة ، الموجودة في زنبرك مضغوط أو ممتد. عندما نضغط أو نمد الزنبرك ، فإننا نقوم بعمل لتحقيق التشوه ويمكننا ملاحظة ذلك بعد ذلك عند إطلاقه ، يكتسب الزنبرك الحركة - الطاقة الحركية - ويعود إلى موضعه الأولي حيث لم يتم شده أو تمدده مضغوط.
لذلك ، بشكل أكثر تحديدًا ، يمكننا القول أن الطاقة الحركية هي الطاقة أو القدرة على الأداء العمل بسبب الحركة وتلك الطاقة الكامنة هي الطاقة أو القدرة على القيام بعمل بسبب وضع.
في الميكانيكا ، هناك نوعان من الطاقة الكامنة: أحدهما مرتبط بعمل الوزن ، يسمى الطاقة جهد الجاذبية ، وآخر متعلق بعمل القوة المرنة ، وهي الطاقة الكامنة المرن. الآن دعونا ندرس هذين الشكلين من الطاقة الكامنة بمزيد من التفصيل.
1. طاقة الجاذبية الكامنة
إنها الطاقة المرتبطة بالوضع الذي يوجد فيه الجسم. انظر إلى الشكل 1 وفكر في جسم الكتلة m في البداية عند النقطة ب. ارتفاع الجسم h بالنسبة إلى الأرض أ. عندما يتم التخلي عن السكون ، بسبب كتلته ، تؤدي قوة الوزن عملاً على الجسم وتكتسب الطاقة الحركية ، أي أنها تبدأ في التحرك.
الشغل الذي يقوم به وزن الكرة يسمح لنا بقياس طاقة الجاذبية الكامنة ، لذلك دعونا نحسب الشغل.
بالنظر إلى النقطة a كنقطة مرجعية ، يتم إعطاء الإزاحة من b إلى a بواسطة h ، معامل وزن القوة المعطى بواسطة P = m.g و o الزاوية بين اتجاه تطبيق وزن القوة والإزاحة α = 0º ، حيث أن كلاهما في نفس الاتجاه ، ما عليك سوى تطبيق تعريف العمل (τ):
τ = F.d.cosα
إذا كانت F تساوي وزن القوة P = mg ، والإزاحة d = h و α = 0º (cos 0º = 1) ، بالتعويض في المعادلة 1 ، سيكون لدينا:
τ = F.d.cosα
τ = m.g.h.cos 00
τ = مللي غرام ح
وبالتالي ، يتم حساب الطاقة التي تربط موضع الجسم بالأرض ، طاقة جهد الجاذبية ، من خلال:
وص= م غ ح
المعادلة 2: طاقة جهد الجاذبية
على ماذا:
EP: طاقة الجاذبية الكامنة ؛
ز: تسارع الجاذبية ؛
م: كتلة الجسم.
2. الطاقة الكامنة المرنة
انظر إلى نظام الكتلة الزنبركية في الشكل 2 ، حيث لدينا جسم كتلته م مرتبط بنابض ثابت مرن ك. لتشويه الزنبرك ، يجب علينا القيام بعمل ، حيث يتعين علينا دفعه أو شده. عندما نفعل ذلك ، يكتسب الزنبرك طاقة وضع مرنة ، وعند إطلاقه ، يعود إلى موضعه الأولي ، حيث لم يكن هناك أي تشوه.
من أجل الحصول على التعبير الرياضي للطاقة الكامنة المرنة ، يجب أن نتقدم بنفس الطريقة التي فعلناها مع طاقة الجاذبية الكامنة. بعد ذلك ، نحصل على التعبير عن الطاقة الكامنة المرنة المخزنة في نظام الزنبرك الكتلي من خلال الشغل الذي تمارسه القوة المرنة على الكتلة.
عندما يكون نظام الكتلة الزنبركية عند النقطة A ، لا يوجد تشوه في الربيع ، أي أنه لا يتمدد ولا ينضغط. وهكذا ، عندما نمدها إلى B ، تظهر قوة تسمى القوة المرنة ، والتي تجعلها تعود إلى A ، موضعها الأولي ، عند التخلي عنها. يُعطى معامل القوة المرنة التي يمارسها الزنبرك على الكتلة بموجب قانون هوك:
فيل = ك
حيث يشير Fel إلى القوة المرنة ، فإن k هو الثابت المرن للربيع و x هو قيمة انكماش أو استطالة الزنبرك.
يتم الحصول على عمل القوة المرنة للإزاحة d = x من خلال:
وبالتالي ، فإن الطاقة المرتبطة بعمل القوة المرنة ، الطاقة الكامنة المرنة ، تُعطى أيضًا من خلال:
على ماذا:
ثعبان البحر: طاقة كامنة مرنة ؛
ك: ثابت الربيع ؛
س: تشوه الربيع.
ويلاحظ أن كرة الكتلة m معلقة فيما يتعلق بالأرض ونظام الكتلة الزنبركية ، عند التمدد أو مضغوط ، لديهم القدرة على القيام بالعمل ، حيث قاموا بتخزين الطاقة بسببهم وضع. هذه الطاقة المخزنة بسبب الموقع تسمى الطاقة الكامنة.
بقلم ناثان أوغوستو
تخرج في الفيزياء
مصدر: مدرسة البرازيل - https://brasilescola.uol.com.br/fisica/energia-potencial-gravitacional-elastica.htm
