الفيزياء فصل أول

أنواع الطاقة

توجد الطاقة في الكون بأشكال كثيرة مثل:

• الطاقة الضوئية
• الطاقة الحرارية
• الطاقة الصوتية
• الطاقة الكيميائية
• الطاقة الكهربائية
• الطاقة الطاقة المغناطيسية
• الطاقة النووية.

وهذه الأشكال المختلفة للطاقة إمّا طاقة حركية أو طاقة كامنة (وضع).

 

- الطاقة الصوتية هي طاقة حركية تهتز فيها جسيمات الوسط ناقلة الصوت على هيئة طاقة حركية لجسيمات الوسط،

- الطاقة الكهربائية هي طاقة حركية نتيجة انتقال الإلكترونات التي تحمل الشحنات الكهربائية خلال أسلاك التوصيل،

- الطاقة الكيميائية ما هي إلا طاقة كامنة في الروابط بين ذرات وجزيئات المادة.

---

تحولات الطاقة

جميع أشكال الطاقة قابلة للتحول إلى أشكال أخرى ففي عملية شحن سيارة كهربائية تتحول الطاقة الكهربائية إلى طاقة كيميائية تختزن في البطارية.

 

حفظ الطاقة

هناك تحولات مختلفة للطاقة من شكلٍ إلى آخر داخل الأنظمة المختلفة وفي اثناء عملية التحول تكون الطاقة محفوظة، إذ ينص مبدأ حفظ الطاقة على أنّ "الطاقة لا تفنى ولا تخلق من العدم،لكنها تتحول من شكل إلى آخر."

 

-عند تحول الطاقة من شكل إلى آخر فإنّها لا تتحول جميعها إلى الشكل المطلوب إذ تنتج دائمًا من عمليات التحول أشكال غير مفيدة من الطاقة،على سبيل المثال المحرك الكهربائي يحول الطاقة الكهربائية إلى طاقة حركية، تكون كفاءة التحويل بنسبة قد تصل إلى (85%)،وهذا لا يعني أن (15%) من الطاقة فُنيت ولم تعد موجودة إذ أن الطاقة لا تفنى والجزء المفقود من الطاقة الكهربائية قد تحوّل إلى أشكال غير مفيدة من الطاقة مثل الطاقة الحرارية والطاقة الصوتية وجميعها انتقلت إلى الوسط الذي يحيط بالمحرك فالطاقة محفوظة دائمًا سواء بقيت داخل النظام نفسه أو انتقل جزء منها إلى الوسط المحيط بالنظام.

 

القوى المحافظة وغير المحافظة

(1) القوى المحافظة

يمثل الشكل المجاور كرة تسقط نحو الأرض تحت تأثير قوة الجاذبية الأرضية وبإهمال مقاومة الهواء لوحظ أنّ النقصان في طاقة الوضع للكرة يقابله زيادة مساوية في طاقتها الحركية،وهذا يعني أنّ الطاقة الميكانيكية للنظام محفوظة وبالتالي يتم تصنيف قوة الجاذبية الأرضية على أنها قوة محافظة.

- من الأمثلة على القوى المحافظة:

• القوة الكهربائية
• القوة المغناطيسية
• قوة النابض المتصل بكتلة

◘ خصائص القوة المحافظة؟

1. شغلها المبذول على جسم لتحريكه بين أيّ موقعين لا يعتمد على المسار الذي يسلكه الجسم بين الموقعين.
2. شغلها المبذول على جسم لتحريكه عبر مسار مغلق يساوي صفرًا والقوة المحافظة تبذل شغلاً يكون مساويًا لسالب التغير في طاقة وضع النظام.
    

(2) القوى غير المحافظة

أي قوة لا تحقق خصيصتي القوى المحافظة تعد قوة غير محافظة،إذ يعتمد الشغل الذي تبذله القوة غير المحافظة على المسار الذي يسلكه الجسم ويوضح الشكل المجاور اعتماد شغل القوة غير المحافظة على المسار،فالشغل الذي تبذله قوة الاحتكاك الحركي في أثناء حركة الكتاب بين الموقعين (A) و (B) على سطح الطاولة الأفقي الخشن يكون أكبر عبر المسار المنحني لأنّه أطول من المسار المستقيم.

- عندما تؤثر قوى غير محافظة في جسم فإنها تعمل على تغيير طاقته الميكانيكية كما في مثال قيادة الدراجة الهوائية على طريق أفقية واستخدام الفرامل فإنّ قوة الفرامل تعد قوة احتكاك وخلافًا للقوة المحافظة فإن شغل قوة الاحتكاك لا يختزن فالدراجة توقفت عن الحركة والطاقة الحركية التي كانت تمتلكها تحولت إلى طاقة غير مفيدة بحيث تحوّل جزء كبير منها إلى طاقة حرارية تؤدي إلى تغيير الطاقة الداخلية لنظام (الدراجة -سطح الطريق).

- تبذل القوة غير المحافظة شغلاً يؤدي إلى تغيير الطاقة الميكانيكية للنظام، ومن الأمثلة عليها قوة الشد وقوة الاحتكاك الحركيّ.
- القوى المحافظة تحافظ على كمية الطاقة الميكانيكية ثابتة للجسم المتحرك تحت تأثيرها فقط في حين ينتج من تأثير القوى غير المحافظة في الأجسام تغيّر في الطاقة الميكانيكية لها.

 

حفظ الطاقة الميكانيكة

الطاقة الميكانيكية في الأنظمة المحافظة

يبين الشكل المجاور كرة في أثناء سقوطها نحو الأرض من موقع ابتدائي(yi)إلى موقع نهائي (yf).

وبإهمال مقاومة الهواء تكون حركة الكرة تحت تأثير قوة الجاذبية الأرضية فقط

بتطبيق مبرهنة (الشغل-الطاقة )على الكرة نتوصل إلى أنّ الشغل الكلي المبذول على الكرة في أثناء سقوطها يعطى بالعلاقة التالية:

$W_{Total}=W_g=∆KE$

بتعويض شغل قوة الجاذبية (Wg = - ∆PE)نحصل على:

$∆KE=-∆PE∆KE+∆PE=0$

وبالتعويض عن التغير في الطاقة الحركية والتغير في طاقة الوضع نتوصل إلى التالي:

$(K{E}_f-K{E}_i)+(P{E}_f-P{E}_i)=0K{E}_i+P{E}_i=K{E}_f+P{E}_f$

يعبر عن الطاقة الميكانيكية بالعلاقة:

$ME=KE+PE$

لذا فإنّ:

$M{E}_i=M{E}_f$

ويكون: $∆ME=0$

 

توصف العلاقة السابقة بحفظ الطاقة الميكانيكية في ظل وجود قوًى محافظة تبذل شغلاً إذ تبقى الطاقة الميكانيكية للنظام ثابتة.

---

كيف يتم توليد الطاقة الكهربائية في السدود؟

يتم التحكم في معدل تدفق الماء المحجوز خلف السد عن طريق ممرات خاصة بحيث يدير الماء المتدفق مراوح خاصة(توربينات)متصلة بمولدات كهربائية مما يؤدي الى الحصول على الطاقة الكهربائية التي تسمى الطاقة الكهرومائية.
 

الطاقة الميكانيكية في الأنظمة غير المحافظة

عند تحريك كتاب على سطح أفقيّ خشن تحوّل قوة الاحتكاك الحركي بين سطح الكتاب وسطح الطاولة جزءًا كبيرًا من الطاقة الحركية للكتاب إلى طاقة داخلية على هيئة طاقة حرارية ترفع درجة حرارة السطحين المتلامسين إذ يلزم التأثير عليه بقوة باستمرار للمحافظة على حركته عن طريق بذل شغل على الكتاب تعويضًا للطاقة الميكانيكية المتحولة إلى طاقة داخلية بسبب قوة الاحتكاك.

عند تأثير قوة غير محافظة في جسم وبذلها شغلاً عليه فإنّ طاقته الميكانيكية تصبح غير محفوظة ويعبّر عن شغل القوى غير المحافظة بالعلاقة الآتية:
$W_{nc}=∆ME$
حيث $W_{nc}$ الشغل الذي تبذله القوى غير المحافظة وهو يساوي التغير في الطاقة الميكانيكية للجسم.