قانون بقاء الطاقة الميكانيكية

كتابة شيماء طه آخر تحديث: 23 أكتوبر 2020 , 04:30

معنى الطاقة

تعريف الطاقة ، في الفيزياء ، القدرة على القيام بالعمل، وقد يكون موجودًا في أشكال مختلفة محتملة أو حركية أو حرارية أو كهربائية أو كيميائية أو نووية أو غيرها من الأشكال المختلفة.

وعلاوة على ذلك ، هناك حرارة وعمل – أي طاقة في عملية الانتقال من جسم إلى آخر، وبعد أن يتم نقلها ، يتم تحديد الطاقة دائمًا وفقًا لطبيعتها، ومن ثم ، قد تصبح الحرارة المنقولة طاقة حرارية ، بينما قد يتجلى العمل المنجز في شكل طاقة ميكانيكية. [1]

تعريف الطاقة الميكانيكية

تعريف الطاقة الميكانيكية إنها قدرة الكائن على القيام بعمل بحكم حركته أو تكوينه (الموضع)، وكثيراً ما نسأل عن انواع الطاقة فنجد أن الطاقة الميكانيكية هي مجموع المصطلحين التاليين للطاقة:

الطاقة الحركية

تعرف الطاقة الحركية على أنها قدرة الكائن على القيام بعمل بحكم حركته، وعلى سبيل المثال ، تمتلك الطاقة الحركية للرياح القدرة على تدوير شفرات طاحونة الهواء وبالتالي إنتاج الكهرباء، ويتم التعبير عن الطاقة الحركية على النحو التالي ، حيث ، K هي الطاقة الحركية للجسم بالجول (J) ، م هي كتلة الجسم بالكيلوجرام و v هي سرعة الجسم: [2]

k = 1/2 mv2

الطاقة الكامنة

إنها قدرة الكائن على القيام بعمل بحكم تكوينه أو موقعه، وعلى سبيل المثال ، يمكن للزنبرك المضغوط القيام بعمل عند تحريره، لذا سنركز على الطاقة الكامنة لجسم ما بحكم موقعه فيما يتعلق بجاذبية الأرض.

V=mgh

يمكن التعبير عن الطاقة الكامنة على النحو التالي: هنا ، V هي الطاقة الكامنة للجسم في الجول (J) ، و m هي كتلة الجسم بالكيلوجرام ، و g ثابت الجاذبية للأرض (9.8 م / ث²) ، و h ارتفاع الجسم من سطح الأرض.

الآن ، نعلم أن تسارع جسم ما تحت تأثير قوة الجاذبية الأرضية سيختلف وفقًا لبعده عن مركز جاذبية الأرض، ولكن ارتفاعات السطح ضئيلة جدًا عند مقارنتها بنصف قطر الأرض ، بحيث يتم اعتبار g ثابتًا لجميع الأغراض العملية.

قانون الطاقة الميكانيكية

الحفاظ على الطاقة الميكانيكية

إن تعريف الطاقة الميكانيكية وانواعها نجد أنها مجموع الطاقات الكامنة والحركية في النظام، وينص مبدأ حفظ الطاقة الميكانيكية على أن إجمالي الطاقة الميكانيكية في النظام (أي مجموع الإمكانات بالإضافة إلى الطاقات الحركية) تظل ثابتة طالما أن القوى الوحيدة المؤثرة هي قوى محافظة.

يمكننا استخدام تعريف دائري ونقول أن القوة المحافظة كقوة لا تغير إجمالي الطاقة الميكانيكية ، وهذا صحيح ، لكنها قد تلقي الكثير من الضوء على ما تعنيه. طريقة جيدة للتفكير في القوى المحافظة هي التفكير فيما يحدث في رحلة الذهاب والعودة.

إذا كانت الطاقة الحركية هي نفسها بعد رحلة ذهابًا وإيابًا ، فإن القوة هي قوة محافظة ، أو على الأقل تعمل كقوة محافظة، لذا ضع في اعتبارك الجاذبية تقوم برمي الكرة بشكل مستقيم وتترك يدك بكمية معينة من الطاقة الحركية.

وفي الجزء العلوي من مساره ، ليس لديه طاقة حركية ، لكن لديه طاقة كامنة مساوية للطاقة الحركية التي كانت لديه عندما غادرت يدك.

عندما تلتقطها مرة أخرى ستحصل على نفس الطاقة الحركية التي كانت عليها عندما تركت يدك، وعلى طول المسار ، يكون مجموع الطاقة الحركية والجهد ثابتًا ، والطاقة الحركية في النهاية ، عندما تعود الكرة إلى نقطة البداية ، هي نفس الطاقة الحركية في البداية ، لذا فإن الجاذبية هي القوة المحافظة.

الاحتكاك الحركي ، من ناحية أخرى ، هو قوة غير محافظة ، لأنه يعمل على تقليل الطاقة الميكانيكية في النظام. لاحظ أن القوى غير المحافظة لا تقلل دائمًا من الطاقة الميكانيكية ؛ تغير القوة غير المحافظة الطاقة الميكانيكية ، لذا فإن القوة التي تزيد من إجمالي الطاقة الميكانيكية ، مثل القوة التي يوفرها المحرك أو المحرك ، هي أيضًا قوة غير متحفظة. [3]

مثال:

تخيل شخصًا على زلاجة ينزلق لأسفل تل بطول 100 متر على منحدر 30 درجة.

الكتلة 20 كجم ، وسرعة الشخص 2 م / ث لأسفل التل عندما يكون في القمة.

فنجد ما هي سرعة الشخص الذي يسافر في أسفل التل؟

كل ما علينا أن نقلق بشأنه هو الطاقة الحركية وطاقة الجاذبية الكامنة، وعندما نجمعها في الأعلى والأسفل يجب أن تكون هي نفسها ، لأنه يتم الحفاظ على الطاقة الميكانيكية.

في الأعلى: PE = mgh = (20) (9.8) (100sin30 °) = 9800 J KE = 1/2 mv2 = 1/2 (20) (2) 2 = 40 J إجمالي الطاقة الميكانيكية

في الأعلى = 9800 + 40 = 9840 جول في الأسفل: PE = 0 KE = 1/2 mv2 إجمالي الطاقة الميكانيكية

في الأسفل = 1/2 mv2 إذا حافظنا على الطاقة الميكانيكية ، فإن الطاقة الميكانيكية في الأعلى يجب أن تساوي ما لدينا في الأسفل. هذا يعطي: 1/2 mv2 = 9840 ، لذا v = 31.3 m / s وهكذا. [4]

إثبات قانون حفظ الطاقة

إجمالي الطاقة الميكانيكية كما ذكرنا سابقًا ، يمكن أن تكون الطاقة الميكانيكية لجسم ما نتيجة حركته (أي الطاقة الحركية) و / أو نتيجة الطاقة المخزنة للموقع (أي الطاقة الكامنة).

إن المقدار الإجمالي للطاقة الميكانيكية هو مجرد مجموع الطاقة الكامنة والطاقة الحركية، ويشار إلى هذا المجموع ببساطة باسم إجمالي الطاقة الميكانيكية (اختصار TME). TME = PE + KE كما ناقشنا سابقًا ، وهناك نوعان من الطاقة الكامنة التي تمت مناقشتها في مسارنا – طاقة وضع الجاذبية وطاقة الوضع المرنة.

بالنظر إلى هذه الحقيقة ، يمكن إعادة كتابة المعادلة أعلاه: TME = PEgrav + PEspring + KE يوضح الرسم البياني أدناه حركة Lee Ben Fardest (قفز التزلج الأمريكي المحترم) وهو ينزلق أسفل التل ويقوم بإحدى قفزاته القياسية. [5]

لذا نجد إن إجمالي الطاقة الميكانيكية لـ Lee Ben Fardest هو مجموع الإمكانات والطاقات الحركية، ومجموع شكلي الطاقة يصل إلى 50000 جول.

لاحظ أيضًا أن الطاقة الميكانيكية الكلية لـ Lee Ben Fardest هي قيمة ثابتة طوال حركته. هناك ظروف يكون فيها إجمالي الطاقة الميكانيكية قيمة ثابتة وظروف تكون بموجبها قيمة متغيرة.

في الوقت الحالي ، تذكر فقط أن الطاقة الميكانيكية الكلية هي الطاقة التي يمتلكها جسم ما بسبب حركته أو طاقته المخزنة في موضعه.

إجمالي كمية الطاقة الميكانيكية هو مجرد مجموع هذين الشكلين من الطاقة. وأخيرًا ، يمكن للجسم ذي الطاقة الميكانيكية القيام بعمل على جسم آخر. [6]

أمثلة على الطاقة الميكانيكية في الحياة اليومية

يمكن وصف الطاقة الميكانيكية بأنها طاقة الحركة ؛ كما توجد في الأشياء التي تتحرك أو لديها القدرة على الحركة، وفي العلوم الفيزيائية ، هو مجموع الطاقة الكامنة والطاقة الحركية.

أنواع مختلفة من الطاقة الميكانيكية صيغة الطاقة الميكانيكية هي ؛ الطاقة الميكانيكية = الطاقة الحركية + الطاقة الكامنة قانون حفظ الطاقة الميكانيكية تقول أن الطاقة الميكانيكية لجسم ما في نظام مغلق تظل ثابتة إذا لم تكن تحت تأثير أي قوة تبديد (على سبيل المثال الاحتكاك ، مقاومة الهواء) ، باستثناء قوة الجاذبية.

دعونا نحاول فهم مفهوم الطاقة الميكانيكية بشكل أكثر وضوحًا من خلال أخذ بعض الأمثلة من الحياة اليومية.

كرة هدم 

كرة التدمير هي هيكل دائري كبير يستخدم لهدم المباني. عندما تُحمل الكرة على ارتفاع ، فإنها تحتوي على قدر من الطاقة الكامنة (الطاقة المخزنة) وبمجرد سقوطها ، فإنها تكتسب قدرًا من الطاقة الحركية أيضًا.

لذا عندما تصطدم كرة التدمير بالمبنى المراد هدمه ، فإنها تستخدم القوة (على شكل طاقة ميكانيكية) ، مما يؤدي إلى إنجاز العمل ، كما في هذه الحالة ، هدم المباني.

المطرقة

عندما نستخدم مطرقة ، دعنا نقول ، لضرب مسمار ودفعه إلى الحائط ، فإننا ببساطة نطبق بعض القوة على الظفر بمساعدة المطرقة التي تتسبب في القيام ببعض العمل.

في حالة السكون ، لا تحتوي المطرقة على أي طاقة حركية ولكن تحتوي فقط على قدر من الطاقة الكامنة.

عندما نقوم بتأرجح المطرقة لمسافة ما من الظفر قبل أن تضربه ، فإن الطاقة الحركية تلعب دورًا ، وسيؤدي الجمع بين الطاقة الحركية والطاقة الكامنة في المطرقة ، التي تسمى الطاقة الميكانيكية ، إلى دفع المسمار إلى الجدار.

أو يمكننا القول إن القوة التي تطبقها المطرقة للقيام بعمل على الظفر هي طاقة ميكانيكية ، وهي مجموع الطاقة الكامنة والحركية.

بندقية دارت

أمثلة بندقية دارت للطاقة الميكانيكية في الحياة اليومية بندقية السهام هي مثال آخر على الطاقة الميكانيكية التي لوحظت في الحياة اليومية، ويعمل مسدس النبال على مبدأ الطاقة الكامنة المرنة.

ويتكون الزنبرك المستخدم في مسدسات السهام من طاقة كامنة مرنة مخزنة، وعندما يتم تحميل بندقية سهم ، فإنه يتسبب في ضغط الزنبرك.

وفي تلك اللحظة ، يتكون مسدس النبال من طاقة وضع مرنة. بسبب هذه الطاقة ، فإن الزنبرك قادر على تطبيق القوة على السهام ويعمل ، أي إزاحة السهم.

طاحونة الرياح

طواحين الهواء هي الهياكل التي تحول طاقة الرياح إلى طاقة كهربائية ومن ثم يتم توفير هذه الطاقة لمنازلنا، ولكن من أين تأتي هذه الطاقة في الريح وتحرك الشفرات الكبيرة لطاحونة الهواء؟ تعمل طواحين الهواء على مبدأ الطاقة الميكانيكية والعمل.

ويمتلك الهواء المتحرك (الرياح) قدرًا من الطاقة في شكل طاقة حركية (بسبب الحركة)، وتمنح هذه الطاقة الهواء القدرة على القيام بالعمل على ريش المروحة، ويطبق الهواء المتحرك القوة على الشفرات ويسمح بإنجاز العمل ، مما يؤدي إلى دورانها. لذلك ، أعطت الطاقة الميكانيكية الرياح القدرة على القيام بالعمل على ريش المروحة.

كرة البولينج

توضح هذه الرياضة المستهدفة المثيرة للاهتمام مثالًا جيدًا آخر للطاقة الميكانيكية والعمل الذي يقوم به الكائن الذي يمتلكها.

وتتكون كرة البولينج من قدر من الطاقة على شكل طاقة حركية بمجرد أن تبدأ في التدحرج نحو الهدف، وبسبب هذه الطاقة ، فإن الكرة لديها القدرة على القيام بعمل على المسامير.

عندما تصطدم الكرة بتلك المسامير المستهدفة ، فإنها (الكرة) تطبق القوة (في شكل طاقة ميكانيكية) وتزيحها ، وبالتالي ، مما يؤدي إلى القيام بالعمل. لذلك ، هنا أيضًا ، يمكننا القول أن الطاقة الميكانيكية أعطت كرة البولينج القدرة على أداء الشغل على المسامير التي تسببت في إزاحتها.

محطة الطاقة الكهرومائية

في محطات الطاقة الكهرومائية ، يتم توليد الكهرباء بمساعدة المياه الجارية، وتعرض محطات الطاقة الكهرومائية مثالاً ممتازًا على استخدام الطاقة الميكانيكية للقيام بالعمل.

وفي محطة توليد الطاقة الكهرومائية ، غالبًا ما نرى منظر الماء يجري على المنحدر بسرعة هائلة، ويتم إلقاء المياه الجارية من ارتفاع كبير فقط للحصول على كمية جيدة من الطاقة الموجودة في شكل طاقة وضع الجاذبية (بسبب الارتفاع) والطاقة الحركية (بسبب الحركة)، ثم يصطدم الماء المتساقط على المنحدر بشفرات التوربينات المثبتة في قاع الشلال.

حيث تمكنه الطاقة الميكانيكية للماء من القيام بعمل على الشفرات ؛ مما أدى إلى تناوبهم، وبمجرد تحريك الشفرات ، يقوم التوربين بتحويل الطاقة الميكانيكية للماء إلى طاقة كهربائية، ومن ثم فإن الطاقة الميكانيكية تمنح الماء القدرة على القيام بعمل على ريش التوربين.

ركوب الدراجات

يمتلك الشخص الذي يركب دراجة هوائية قدرًا من الطاقة في شكل طاقة كيميائية محتملة، ويتم استخدام هذه الطاقة من قبل راكب الدراجة للقيام بعمل على مجاذيف الدراجة من خلال تطبيق بعض القوة وتمكين الدراجة من التحرك للأمام. [7]

القمر

القمر هو القمر الصناعي الطبيعي الوحيد للأرض وهو يدور حول الأرض تمامًا مثل الأرض وتدور الكواكب السبعة الأخرى حول الشمس، ويمتلك القمر طاقة كامنة بسبب موقعه فيما يتعلق بالأرض وكذلك الطاقة الحركية ، لأنه يدور حول الأرض.

لذلك ، يمكننا القول أن القمر يُظهر طاقة ميكانيكية عالية في شكل طاقة كامنة وطاقة حركية بسبب موقعه وحركته ، على التوالي، وتظل الطاقة الميكانيكية لنظام الأرض والقمر ثابتة بسبب قانون حفظ الطاقة الميكانيكية.

كما أوضحنا سابقًا ، ينص هذا القانون على أن الطاقة الميكانيكية لنظام مغلق تظل ثابتة إذا لم تكن هناك قوة خارجية مطبقة عليه ، باستثناء قوة الجاذبية.

ونظرًا لعدم وجود احتكاك أو مقاومة للهواء في الفضاء ، فإن الطاقة الميكانيكية لنظام الأرض والقمر تظل ثابتة مع التبادل الإيقاعي بين الطاقة الحركية والطاقة الكامنة في أوقات مختلفة من الشهر.

المحرك الكهربائي

توجد المحركات الكهربائية في معظم الأدوات المنزلية مثل المكانس الكهربائية والخلاطات والغسالات والمراوح ومكيفات الهواء وما إلى ذلك تقوم المحركات الكهربائية بتحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية.

على سبيل المثال ، عندما نقوم بتشغيل المروحة ، يبدأ المحرك الكهربائي في تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية.

ثم تمنح الطاقة الميكانيكية ريش المروحة القدرة على القيام بالعمل ، وبالتالي تبدأ في الدوران، لذلك ، يمكننا القول أن الطاقة الميكانيكية ، المحولة بواسطة المحرك الكهربائي ، كانت مسؤولة عن العمل المنجز على الشفرات.

القوس والسهم 

القوس والسهم مثال آخر يومي للطاقة الميكانيكية. عندما يتم رسم السهم ، فإنه يمتلك طاقة على شكل طاقة وضع مرنة وعندما يتم تحريره ، فإن القوس يجعل الطاقة الحركية ، بسبب السحب ، إلى السهم الذي يدفعه نحو الهدف.

وعند الجمع بين هاتين الطاقتين ، تمنح السهم الطاقة الميكانيكية للتحرك وضرب الهدف. ومن ثم ، فإن الطاقة الميكانيكية للسهم تعمل على الهدف من خلال تغيير حالته. [9]

زر الذهاب إلى الأعلى
إغلاق