في المقالات السابقة قمنا بتحليل دقيق الطاقة الحركية وكل ما يتعلق بها. في هذه الحالة ، نواصل التدريب ونواصل الدراسة الطاقة الميكانيكية. وهذا النوع من الطاقة هو ما ينتج عن عمل الجسم ويمكن أن ينتقل بين الأجسام الأخرى. الطاقة الميكانيكية هي مجموع الطاقة الحركية (الحركة) مع طاقة الوضع المرنة و/أو الجاذبية، الناتجة عن تفاعل الأجسام حسب موقعها.
سنشرح في هذا المقال كيفية عمل الطاقة الميكانيكية وكيفية حسابها وبعض الأمثلة والتطبيقات. إذا كنت تريد أن تفهم هذا المفهوم بوضوح وبساطة، استمر في القراءة.
شرح الطاقة الميكانيكية
لنأخذ مثالا لشرح الطاقة الميكانيكية. تخيل أننا رمينا كرة من ارتفاع معين. أثناء الرمي، الكرة لديها الطاقة الحركية بسبب حركته، أثناء وجوده في الهواء يكتسب أيضًا طاقة الجاذبية الكامنة بسبب موقعه بالنسبة للأرض. ومع ارتفاعه، تزداد طاقة الوضع، ومع انخفاضه، تتحول طاقة الوضع إلى طاقة حركية.
إن الذراع التي تدفع الكرة تعمل على نقل الطاقة الحركية إليها. إذا أهملنا الاحتكاك بالهواء، فإن الكرة ستحافظ على إجمالي طاقتها الميكانيكية، وهي مجموع الطاقة الحركية وطاقة الوضع. في الواقع، يمكن للطاقة الميكانيكية للنظام أن تظل ثابتة في حالة عدم وجود قوى مقاومة مثل الاحتكاك.
من المهم أن نتذكر أن خطورة وهي قوة ثابتة (9,8 م/ث² على الأرض) وتؤثر دائمًا على الأجسام. وبالتالي فإن الطاقة الميكانيكية المحسوبة ستكون نتيجة التفاعل بين سرعة الجسم وكتلته وارتفاعه. وحدة قياس الطاقة الميكانيكية هي يوليو (ي)وفقا للنظام الدولي للوحدات.
صيغة الطاقة الميكانيكية
الطاقة الميكانيكية (Em) هي مجموع الطاقة الحركية (EC) و الطاقة الكامنة (الجيش الشعبي). رياضياً يمكن التعبير عنها بالطريقة التالية:
م = إيك + إب
لحساب الطاقة الحركية (Ec)، نستخدم الصيغة:
- المفوضية الأوروبية = 1/2 ملي فولت²
حيث m هي كتلة الجسم و v هي السرعة.
أما بالنسبة لل طاقة الجاذبية الكامنة (Ep)، الصيغة هي:
- إب = ملغ
حيث m هي الكتلة، g هو التسارع الناتج عن الجاذبية و h الارتفاع.
وبهذه الطريقة، إذا عرفت كتلة الجسم وسرعته والارتفاع الذي تم إطلاقه منه، فيمكنك حساب طاقته الميكانيكية.
مبدأ الحفاظ على الطاقة الميكانيكية
المبدأ الأساسي في الفيزياء هو الذي ينص على ذلك الطاقة لا تستحدث ولا تفنى، بل تتحول. يُعرف هذا باسم مبدأ الحفاظ على الطاقة. وفي حالة الطاقة الميكانيكية فإن هذا المبدأ يكون صحيحاً إذا كان النظام معزولاً، أي في حالة عدم وجود قوى غير محافظة مثل الاحتكاك.
إذا رمينا كرة في الهواء، فستكون طاقتها الحركية عند أعلى نقطة لها صفرًا، لكن طاقة وضع الجاذبية ستكون عند الحد الأقصى. أثناء هبوطه، تتحول الطاقة الكامنة إلى طاقة حركية. طوال هذه العملية، تظل الطاقة الميكانيكية الإجمالية للنظام ثابتة.
والمعادلة الرياضية التي تصف هذا المبدأ هي كما يلي:
Em = Ec + Ep = ثابت
في الأنظمة الحقيقية، يؤدي وجود الاحتكاك والقوى غير المحافظة الأخرى إلى تغيير هذه المعادلة، مما يتسبب في تبديد بعض الطاقة على شكل حرارة أو أنواع أخرى. ومع ذلك، يظل هذا المبدأ مفيدًا لتحليل العديد من الأنظمة الفيزيائية.
أمثلة على التمارين
دعونا نلقي نظرة على بعض التمارين لتوضيح كيفية تطبيق المفاهيم الموضحة أعلاه:
- حدد الخيار الخاطئ:
- أ) الطاقة الحركية هي الطاقة التي يكتسبها الجسم من حركته.
- ب) طاقة الجاذبية الكامنة هي الطاقة التي يمتلكها الجسم لأنه يقع على ارتفاع معين.
- ج) تظل الطاقة الميكانيكية الكلية للجسم ثابتة حتى في وجود الاحتكاك.
- د) طاقة الكون ثابتة وتتحول فقط.
- هـ) عندما يمتلك الجسم طاقة حركية فإنه يستطيع بذل شغل.
الخيار الخاطئ هو (C). لا يتم حفظ الطاقة الميكانيكية في وجود الاحتكاك، إذ أن بعضها يتبدد على شكل حرارة.
- التغير في الطاقة الحركية للحافلة يساوي صفرًا.
- يتم الحفاظ على الطاقة الميكانيكية لنظام الحافلات الأرضية.
- يتم الحفاظ على الطاقة الإجمالية لنظام الأرض الناقلة، على الرغم من أن بعضها يتحول إلى طاقة داخلية.
في هذه الحالة الجواب الصحيح هو الخامس، ف، الخامس. ولا تتغير الطاقة الحركية لأن السرعة ثابتة؛ ومع ذلك، فإن الطاقة الميكانيكية لا يتم حفظها بسبب زيادة الطاقة الداخلية للنظام الناتجة عن الاحتكاك.
توضح هذه الأمثلة أهمية فهم كيفية تفاعل القوى والطاقة في سياقات مختلفة. تعتبر الطاقة الميكانيكية عنصرًا أساسيًا في العديد من التطبيقات اليومية، بدءًا من تحريك السيارة وحتى القفز من الترامبولين.
الفهم الصحيح للطاقة الميكانيكية ليس مفيدا فقط لاجتياز الامتحانات، ولكن أيضا لفهم ظواهر العالم من حولنا.