شرح درس الأشكال المتعددة للطاقة – الطاقة وحفظها

بسم الله الرحمن الرحيم

السلام عليكم ورحمة الله وبركاته

شرح درس الأشكال المتعددة للطاقة – الطاقة وحفظها

نبدأ على بركة الله ..

نموذج لنظرية الشغل – الطاقة :

سبق وأن درسنا نظرية الشغل والطاقة و تعلمنا أنه عندما يبذل شغل على نظام معين تزداد طاقته ، في حين إذا بذل النظام شغلا تقل طاقته (هذه هي الفكرة العامة لهذا الدرس ) .

مثال توضيحي :

إذا كان لديك وظيفة فإن كمية المال التي تمتلكها تزداد في كل مرة تحصل فيها على الراتب . ويمكن تمثيل هذه العملية بيانيا بالأعمدة , كما في الشكل 4-1 < في حين يمثل العامود البرتقالي مقدار المال الذي بدأت به ويمثل العمود الأزرق مقدار المال الذي دفعته أو اكتسبته . أما العامود الأخضر فيمثل المجموع الكلي للمال (بعد الدفع). > لنفترض الحالات التالية سويا :

- عندما تكسب المال فإن التدفق المالي يصبح موجبا . وبذلك يقل مجموع النقود الكلي .

- عندما تدفع أو تنفق المال فسيكون التدفق المالي سالبا . وبذلك يقل مجموع النقود الكلي .  

ومن هنا نستنتج أن :

العامود الذي يمثل مقدار المال الذي تمتلكه قبل أن تشتري قرصا مدمجا (CD) لحاسوبك أعلى من العمود الذي يمثل مقدار المال  المتبقي بعد شراء ذلك القرص , والفرق يساوي تكلفة القرص . والتدفق المالي في هذه الحالة يبينه العمود أسفل المحور , لأنه يمثل المال الخارج ويكون سالبا . والطاقة تشبه عملية صرفك للمال . فالطاقة إما أن يبذلها النظام أو تبذل عليه .

قذف كرة :

إذا أثرت بقوة ثابتة F في جسم ما ، فتحرك هذا الجسم مسافة d في اتجاه القوة فإنك تكون قد بذلت شغلا يعبر عنه بالعلاقة  W=F d ، ويكون الشغل موجبا لأن القوة والحركة تكونان في الاتجاه نفسه وسيزداد الطاقة بمقدار يساوي الشغل نفسه .

مثال :

لنفترض أن هذا الجسم كرة وأثرنا فيها بقوة وحركتها أفقيا ، فاكتسبت الكرة طاقة حركية نتيجة لتأثير القوة , (الشكل السابق يمثل هذه العملية )

التقاط الكرة :

عند التقاطك للكرة في المثال السابق فإنك تؤثر فيها بقوة في الاتجاه المعاكس لاتجاه حركتها , لذا فإنك تبذل عليها شغلا سالبا ، مما يجعلها تتوقف , لتصبح طاقتها الحركية في النهاية صفرا . (الشكل السابق يمثل هذه العملية ).

مما سبق نستنتج أن الطاقة الحركية موجبة دائما ، ففي حالة التقاط الكرة مثلا ، كانت الطاقة الحركية الابتدائية للكرة موجبة ، والشغل المبذول على الكرة سالبا و الطاقة الحركية النهائية صفرا . مرة أخرى فإن الطاقة الحركة بعد توقف الكرة فإن الطاقة الحركية بعد توقف الكرة هي مجموع الطاقة الحركة الابتدائية والشغل الذي بذل على الكرة .

الطاقة الحركية :

سبق وأن درسنا قانون الطاقة الحركية :

حيث أن m كتلة الجسم ، و v مقدار سرعة الجسم . وتتناسب الطاقة الحركية طرديا مع كتلة الجسم . كما تتناسب الطاقة الحركية لجسم طرديا مع مربع سرعته ، فالطاقة الحركية لسيارة تتحرك بسرعة 20 m/s تعادل أربعة أضعاف الطاقة الحركية لسيارة تتحرك بسرعة 10 m/s . وهناك أيضا طاقة حركية ناتجة عن الحركة الدورانية ، وهذا نوع آخر من أنواع الطاقة المختلفة . وكما تعتمد الطاقة الحركية الخطية على سرعة الجسم تعتمد الطاقة الحركية الدورانية على السرعة الزاوية w . ومن جهة أخرى فالطاقة الحركية الدورانية لا ترتبط بكتلة الجسم فقط وإنما بتوزيع هذه الكتلة أيضا .

الطاقة المختزنة :

إذا عدنا إلى مثالنا السابق وطرحنا هذا السؤال كيف يوضح هذا المثال تحولات الطاقة من شكل إلى آخر ؟

من الممكن أن يكون لديك ورقة من فئة 20 ريالا , او أربعة أوراق من فئة 5 ريالات أو عشرون ورقة من فئة ريال واحد . وفي كلا الحالتين سيكون معك عشرون ريالا ، حيث أن اختلاف أشكال الأوراق النقدية لم يغير من قيمتها الكلية ، ويكمن تمثيل ذلك برسم بياني بالأعمدة (حيث يبين ارتفاع العمود مقدار المال في كل حالة . وبالمثل يمكن استخدام الرسم البياني بالأعمدة لتمثيل كمية الطاقة في أوضاع مختلفة للنظام بالطريقة نفسها ) انظر شكل 4-4 .

طاقة وضع الجاذبية :

طاقة وضع الجاذبية الأرضية لجسم ما تساوي حاصل ضرب كتلته في تسارع الجاذبية الأرضية في ارتفاعه الرأسي عن مستوى الإسناد .

ملاحظة : تقاس طاقة الوضع للجاذبية بوحدة الجول .

طاقة الحركة وطاقة الوضع لنظام :

في أثناء صعود الكرة إلى أعلى تتحول الطاقة الحركية تدريجيا إلى طاقة وضع , حيث تصبح سرعة الكرة صفرا . عندما تبلغ أقصى ارتفاع لها ، وعندئذ تصبح الطاقة كلها طاقة وضع الجاذبية فقط ، وفي أثناء السقوط تتحول طاقة وضع الجاذبية إ طاقة حركية

علل : يبقى مجموع الطاقة الحركية وطاقة وضع الجاذبية ثابتا في جميع الأوقات .

لأنه لم يبذل شغل على النظام من قوة خارجية .

مستوى الإسناد :

تعتبر يد اللاعب الذي يقذف الكرة ويلتقطها , هي مستوى الإسناد الذي يستخدم لقياس ارتفاع الكرة . حيث أن المجموع الكلي للطاقة الحركة في نظام ما سيختلف باختلاف مستوى الاسناد .

طاقة الوضع المرونية :

 عندما تسحب وتر القوس فإنك تبذل شغل على القوس مما يخزن طاقة فيه . لذا تزداد طاقة النظام المكون من القوس والسهم والأرض . وتسمى الطاقة المختزنة في الوتر المشدود طاقة وضع مرونية . وعند افلات الوتر يندفع السهم إلى الأمام وتتحول طاقته إلى طاقة حركية .

الكتلة قدم ألبرت آينشتاين شكلا آخر لطاقة الوضع ، وهو الكتلة ذاتها ! حيث يقول إن الكتلة طاقة بطبيعتها ، وتسمى هذه الطاقة E ₀ الطاقة السكونية ، ويعبر عنها بالعلاقة

E ₀ = m c ²

الطاقة السكونية لجسم تساوي كتلة الجسم مضروبة في مربع سرعة الضوء .

ملاحظة : إن ضغط النابض أو ثني الزانة يؤدي إلى إكساب كتلة للنابض
 أو الزانة، ويكون التغير في الكتلة في هذه الحالة قليا جدا، بحيث يصعب الكشف عنه، ولكن عندما نتعامل مع قوى كتلك الموجودة في نواة الذرة (القوى النووية) فإن الطاقة المتحررة نتيجة تغيرات الكتلة، والتي تظهر على أشكال مختلفة من الطاقة كالطاقة الحركية مثلا ًّ ، تكون كبيرة جدا .

تم بحمد الله

نستقبل أسئلتكم واستفساراتكم واقتراحاتكم في خانة التعليقات

" نرد على جميع التعليقات "

بالتوفيق للجميع ...^_^