الفيزياء فصل أول

الحادي عشر خطة جديدة

icon

الطاقة: مقدرة الجسم على بذل شغل، وهي كمّية قياسية تُقاس بوحدة الجول ( joule ).

للطاقة أشكال متعدّدة تنحصر في نوعين رئيسين، هما: 

  • الطاقة الحركية
  • الطاقة الكامنة (طاقة الوضع). 

 

الطاقة الحركية: الطاقة المرتبطة بحركة جسم، وتعتمد على كلّ من: كتلة الجسم ( m) ومقدار سرعته ( v)، ويُعبّر عنها بالعلاقة الآتية:    KE = 12 mv2

مبرهنة (الشغل - الطاقة الحركية): الشغل الكلي يساوي التغيّر في طاقته الحركية :

                                             WTotal = KE

يزداد مقدار سرعة الجسم عندما يكون الشغل الكلّي المبذول عليه موجبًا؛ حيث الطاقة الحركية النهائية أكبر من الطاقة الحركية الابتدائية.

يتناقص مقدار سرعة الجسم عندما يكون الشغل الكلّي المبذول عليه سالبًا؛ حيث الطاقة الحركية النهائية أقل من الطاقة الحركية الابتدائية

طاقة الوضع:

الطاقة الكامنة أو طاقة الوضع هي طاقة مختزنة  بتأثير قوة خارجية في نظام مكوّن من جسمين أو أكثر.

                                                                WF = Fext Δy cos 0˚ = mg (yf - yi) = mg yf - mg yi

طاقة الوضع الناشئة عن الجاذبية

الطاقة المختزنة في نظام (جسم - الأرض) نتيجة موقع الجسم في مجال الجاذبية، ورمزها PE ، يُعبّر عن بالعلاقة: PE = mgy                                                         

◘ الشغل المبذول على جسم عند تحريكه بين موقعين في مجال الجاذبية، يعتمد فقط على التغيّر في الارتفاع الرأسي بين الموقعين، ولا يعتمد على المسار الذي يسلكه الجسم بينهما.

عند حركة جسم رأسيًّا إلى أعلى تكون إزاحته موجبة (Δy > 0)؛ لذا، يكون التغيّر في طاقة وضعه موجبًا أيضًا؛ (ΔPE > 0)

أمّا شغل قوّة الجاذبية عليه خلال الإزاحة نفسها فيكون سالبًا؛ Wg = -mgΔy) )؛ لأنّ اتّجاه إزاحة الجسم إلى أعلى يكون معاكسًا  لاتّجاه تأثير قوّة الجاذبية فيه إلى أسفل.

وإذا تحرك الجسم رأسيًّا إلى أسفل فستكون ( Δy < 0 )؛ لذا، يكون (ΔPE < 0)، أمّا شغل قوّة الجاذبية عليه خلال الإزاحة نفسها  فيكون موجبًا؛ (Wg = mgΔy)؛ لأنّ قوّة الجاذبية والإزاحة في الاتّجاه نفسه.

يُسمّى مجموع الطاقة الحركية وطاقة الوضع الطاقة الميكانيكية، ويُعبّر عنها بالمعادلة الآتية:

                                                                                        ME = KE + PE

حفظ الطاقة الميكانيكية: عندما تتحرّك كرة قريبًا من سطح الأرض، يكون مجموع الطاقة الحركية وطاقة الوضع الناشئة عن الجاذبية لنظام (الكرة - الأرض) محفوظًا عند إهمال مقاومة الهواء، ويساوي مقدارًا ثابتًا، حيث:

                                                                         ME = KE + PE = constant

وبتغيّر ارتفاع الكرة عن سطح الأرض، تتحوّل طاقة الوضع إلى طاقة حركية عند حركتها إلى أسفل (نحو الأرض) أو تتحوّل الطاقة الحركية الى طاقة وضع عند حركتها إلى أعلى، بينما تبقى الطاقة الميكانيكية ثابتة ما دامت الكرة تتحرّك تحت تاثير قوّة الجاذبية فقط.

 

تُصنّف القوى إلى قوى محافظة وقوى غير محافظة. وللقوّة المحافظة خصيصتان، هما:

1. شغلها المبذول على جسم لتحريكه بين أيّ موقعين، لا يعتمد على المسار الذي يسلكه الجسم بينهما.

2. شغلها المبذول على جسم لتحريكه عبر مسار مغلق يساوي صفرًا.

تُعطى الطاقة الميكانيكية بالعلاقة :

                                                        MEi = MEf   ME=0

تصف العلاقة السابقة حفظ الطاقة الميكانيكية في ظل وجود قوى محافظة فقط تبذل شغلًا، إذ تبقى الطاقة الميكانيكية للنظام ثابتة.

عند تأثير قوّة غير محافظة في جسم وبذلها شغلً عليه؛ فإنّ طاقته الميكانيكية تصبح غير محفوظة، ويُعبّر عن شغل القوى غير المحافظة بالعلاقة الآتية: 

                                                                    Wnc = ME

حيث ( Wnc ) الشغل التي تبذله القوى غير المحافظة. فمثلًا، يُعبّر عن شغل قوّة الاحتكاك ( Wf ) بالعلاقة الآتية:

                                                               Wf =ME =-fkd

 حيث ( d) طول المسار الذي تحّركه الجسم تحت تأثير قوّة الاحتكاك الحركي.