الطاقة الميكانيكية:
الطاقة الميكانيكية هي مجموع طاقة الحركة وطاقة الوضع لجسم ما. وتُقاس بالجول (Joule)، وهو وحدة قياس الطاقة في النظام الدولي للوحدات.
حساب الطاقة الميكانيكية:
يُمكن حساب الطاقة الميكانيكية لجسم ما من خلال العلاقة التالية:
TME = KE + PE
حيث:
- TME هي الطاقة الميكانيكية بالجول.
- KE هي طاقة الحركة بالجول.
- PE هي طاقة الوضع بالجول.
على سبيل المثال، إذا كانت كتلة جسم ما 10 كيلوجرام، وارتفاعه عن سطح الأرض 5 أمتار، وسرعته 5 أمتار في الثانية، فإن طاقته الميكانيكية تساوي 585.75 جول.
يمكن تحويل الطاقة الميكانيكية إلى أشكال أخرى من الطاقة، مثل الطاقة الحرارية أو الطاقة الكهربائية أو الطاقة الكيميائية. فمثلاً، إذا سقط جسم من ارتفاع ما، فإن طاقة وضعه تتحول إلى طاقة حركة، ثم إلى طاقة حرارية عند ارتطامه بالأرض.
يُعد مفهوم الطاقة الميكانيكية مفهومًا مهمًا في الفيزياء، حيث يُستخدم في العديد من المجالات، مثل الديناميكا الحرارية، والميكانيكيات، والطاقة.
أنواع الطاقة الميكانيكية:
يمكن تقسيم الطاقة الميكانيكية إلى نوعين رئيسيين:
- الطاقة الحركية:
هي الطاقة التي يمتلكها جسم ما بسبب حركته.
- طاقة الوضع:
هي الطاقة التي يمتلكها جسم ما بسبب وضعه أو حالته.
الطاقة الحركية:
الطاقة الحركية هي الطاقة التي يمتلكها جسم ما بسبب حركته. ويُمكن حساب طاقة الحركة لجسم ما من خلال العلاقة التالية:
KE = \frac{1}{2}mv^2
حيث:
- KE هي طاقة الحركة بالجول.
- m هي كتلة الجسم بالكيلجرام.
- v هي سرعة الجسم بالمتر في الثانية.
يزداد مقدار طاقة الحركة بزيادة كتلة الجسم أو سرعته.
طاقة الوضع:
طاقة الوضع هي الطاقة التي يمتلكها جسم ما بسبب وضعه أو حالته. ويمكن أن تكون طاقة الوضع من عدة أنواع، منها:
- طاقة وضع الجاذبية:
هي الطاقة التي يمتلكها جسم ما بسبب وضعه في مجال جاذبية. فمثلاً، يمتلك جسم ما طاقة وضع أكبر إذا كان مرتفعًا عن سطح الأرض.
- طاقة وضع المرونة:
هي الطاقة التي يمتلكها جسم ما بسبب تمدده أو تشويهه. فمثلاً، يمتلك نابض مشدود طاقة وضع مرونة.
- طاقة وضع الكهربائية:
هي الطاقة التي يمتلكها جسمان كهربائيان بسبب وجودهما في مجال كهربائي. فمثلاً، تمتلك شحنتين كهربائيتين متماثلتين طاقة وضع كهربائية متبادلة.
- طاقة وضع النووية:
هي الطاقة التي يمتلكها نواة الذرة بسبب تفاعلاتها النووية. فمثلاً، تمتلك نواة اليورانيوم طاقة وضع نووية كبيرة.
يزداد مقدار طاقة الوضع بزيادة كتلة الجسم أو الارتفاع أو الإطالة أو الشحنة الكهربائية أو طاقة الترابط النووي.
مبدأ حفظ الطاقة الميكانيكية:
ينص مبدأ حفظ الطاقة الميكانيكية على أن الطاقة الميكانيكية لنظام معزول تظل ثابتة، أي لا تتغير مع الزمن.
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.
تمارين تطبيقية:
فيما يلي بعض التمارين حول الطاقة الميكانيكية:
التمرين 1:
كتلة جسم ما 10 كيلوجرام، وارتفاعه عن سطح الأرض 5 أمتار، وسرعته 5 أمتار في الثانية. ما مقدار طاقته الميكانيكية؟
الحل:
TME = KE + PE
TME = \frac{1}{2}mv^2 + mgh
TME = \frac{1}{2} * 10 * 5^2 + 10 * 9.81 * 5
TME = 585.75 J
التمرين 2:
جسم ما يمتلك طاقة حركة مقدارها 100 جول، وطاقة وضع جاذبية مقدارها 200 جول. ما مقدار طاقته الميكانيكية؟
الحل:
TME = KE + PE
TME = 100 + 200
TME = 300 J
التمرين 3:
جسم ما يمتلك طاقة ميكانيكية مقدارها 500 جول. إذا كانت طاقة وضعه جاذبية مقدارها 200 جول، فما مقدار طاقته الحركية؟
الحل:
TME = KE + PE
500 = KE + 200
KE = 500 - 200
KE = 300 J
التمرين 4:
جسم ما يمتلك طاقة ميكانيكية مقدارها 500 جول. إذا كانت كتلته 10 كيلوجرام، فما سرعته؟
الحل:
KE = \frac{1}{2}mv^2
500 = \frac{1}{2} * 10 * v^2
v^2 = 250
v = 15.81 m/s
لاحظ أن الطاقة الميكانيكية تبقى ثابتة، حتى لو تغيرت مكوناتها.
التمرين 5:
جسم ما يمتلك طاقة وضع جاذبية مقدارها 200 جول. إذا انخفض ارتفاعه عن سطح الأرض إلى 2 متر، فما مقدار طاقته الوضع الجديدة؟
الحل:
PE = mgh
PE_2 = 10 * 9.81 * 2
PE_2 = 196.2 J
لاحظ أن طاقة الوضع تتناقص بانخفاض الارتفاع.
التسميات
علوم 1 إع. مص