حفظ الطاقة الميكانيكية Conservation of mechanical energy

حفظ الطاقة الميكانيكية:

حفظ الطاقة الميكانيكية هو مبدأ فيزيائي ينص على أن الطاقة الميكانيكية لنظام معزول تظل ثابتة، أي لا تتغير مع الزمن.

النظام المعزول هو نظام لا تدخل إليه أو تخرج منه الطاقة.

الطاقة الميكانيكية هي مجموع طاقة الحركة وطاقة الوضع لجسم ما.

يمكن كتابة مبدأ حفظ الطاقة الميكانيكية على النحو التالي:

TME_i = TME_f

حيث:

• TME_i هي الطاقة الميكانيكية للنظام في الحالة الابتدائية.
• TME_f هي الطاقة الميكانيكية للنظام في الحالة النهائية.

يمكن تطبيق مبدأ حفظ الطاقة الميكانيكية على العديد من الظواهر الفيزيائية، مثل سقوط الأجسام، وحركة الأجسام المرنة، والتفاعلات الكهربائية.

على سبيل المثال، إذا سقط جسم من ارتفاع ما، فإن طاقة وضعه تتحول إلى طاقة حركة، ثم إلى طاقة حرارية عند ارتطامه بالأرض. وفي هذه الحالة، تكون الطاقة الميكانيكية للجسم ثابتة قبل وبعد السقوط.

حالات لا ينطبق فيها مبدأ حفظ الطاقة الميكانيكية:

هناك بعض الحالات التي لا ينطبق فيها مبدأ حفظ الطاقة الميكانيكية، مثل:

الأنظمة المفتوحة: وهي الأنظمة التي تدخل إليها أو تخرج منها الطاقة.

الأنظمة غير العازلة: وهي الأنظمة التي تتعرض لقوى غير محتملة، مثل الاحتكاك أو القوى الكهربائية.

في هذه الحالات، تتغير الطاقة الميكانيكية للنظام بسبب دخول أو خروج الطاقة أو بسبب بذل شغل على النظام.

تمارين تطبيقية:

فيما يلي بعض التمارين حول حفظ الطاقة الميكانيكية:

التمرين 1:

جسم ما يمتلك طاقة حركة مقدارها 100 جول، وطاقة وضع جاذبية مقدارها 200 جول. إذا سقط الجسم من ارتفاع ما، فما مقدار طاقته الميكانيكية في الحالة النهائية؟

الحل:

يمكن تطبيق مبدأ حفظ الطاقة الميكانيكية على هذا النظام:

TME_i = TME_f

100 + 200 = TME_f

TME_f = 300 J

وبالتالي، ستكون طاقة الجسم الميكانيكية في الحالة النهائية 300 جول.

التمرين 2:

جسم ما يمتلك طاقة وضع جاذبية مقدارها 500 جول. إذا ارتطم الجسم بالأرض، فما مقدار الطاقة الحرارية التي ستنتج؟

الحل:

يمكن تطبيق مبدأ حفظ الطاقة الميكانيكية على هذا النظام:

TME_i = TME_f

500 = KE_f + PE_f

KE_f = 500 - PE_f

KE_f = 500 - 0

KE_f = 500 J

وبالتالي، ستنتج 500 جول من الطاقة الحرارية عند ارتطام الجسم بالأرض.

لاحظ أن طاقة الوضع للجسم تتحول إلى طاقة حركة ثم إلى طاقة حرارية.

التمرين 3:

جسم ما يمتلك طاقة وضع جاذبية مقدارها 500 جول. إذا تعرض الجسم لقوة احتكاك مقدارها 100 جول، فما مقدار الطاقة الميكانيكية التي ستفقدها؟

الحل:

يمكن تطبيق مبدأ حفظ الطاقة الميكانيكية على هذا النظام:

TME_i = TME_f

500 = KE_f + PE_f - 100

KE_f = 500 - 100

KE_f = 400 J

وبالتالي، ستفقد 100 جول من الطاقة الميكانيكية بسبب الاحتكاك.

لاحظ أن الطاقة الميكانيكية للجسم تتناقص بسبب الاحتكاك.