تعريف الطاقة الميكانيكية

ال طاقة الميكانيكية هي مجرد واحدة من العديد من أشكال الطاقة الموجودة. كائن يتم طرحه للأعلى مع وجود معين سرعة ثم يسقط بنفس السرعة الأولية تقريبًا ، يتأرجح البندول من جانب إلى آخر ويصل تقريبًا إلى نفس الارتفاع ، زنبرك يتقلص ويعود إلى شكله الأصلي ، هذه كلها أمثلة واضحة على الطاقة الميكانيكية في العمل وشكلها الحفاظ على. ولكن ، قبل الحديث عن هذا ، من المهم التحدث قليلاً عنه الطاقة الحركية ص الطاقة الكامنة.

الطاقة الحركية

الطاقة الحركية هي نوع من الطاقة يرتبط بحالة حركة من كائن ، أي مع سرعته. كلما زادت السرعة التي يتحرك بها الجسم ، زادت طاقته الحركية. عندما يكون الجسم في حالة راحة ، فإن طاقته الحركية تساوي صفرًا. في الميكانيكا الكلاسيكية ، تُعطى الطاقة الحركية \ (K \) لجسم ذي كتلة \ (م \) تتحرك بسرعة \ (v \) من خلال:

\ (K = \ frac {1} {2} م {{v} ^ {2}} \)

دعونا نتخيل أن لدينا صخرة في أيدينا وندفعها لأعلى ، في البداية سيكون للصخرة سرعة معينة نتيجة دفعنا ، أي أنه سيكون لديه قدر معين من الطاقة حركية. مع صعود الصخرة ، سوف تتباطأ وبالتالي تقل طاقتها الحركية. ربما سمعت أن "الطاقة لا يمكن إنشاؤها أو تدميرها ، إنها تتحول فقط" ، لذا في هذا المثال للصخرة ، أين ذهبت طاقتها الحركية؟ للإجابة على هذا السؤال ، من الضروري التحدث عن الطاقة الكامنة.

الطاقة الكامنة

بشكل عام ، الطاقة الكامنة هي نوع من الطاقة التي يمكن أن ترتبط بتكوين أو ترتيب نظام من الكائنات المختلفة التي تمارس قوى على بعضها البعض. بالعودة إلى المثال السابق ، فإن للصخرة طاقة كامنة معينة اعتمادًا على موقعها بالنسبة إلى نقطة ما المرجعية ، والتي يمكن أن تكون يدنا ، لأنها تحت تأثير جاذبية الجاذبية الأرض. في هذه الحالة ، سيتم إعطاء قيمة الطاقة الكامنة من خلال:

\ (U = mgh \)

حيث \ (U \) هي طاقة الجاذبية الكامنة ، \ (م \) هي كتلة الصخرة ، \ (ز \) هي التسارع جاذبية الأرض و \ (ح \) هو الارتفاع الذي تكون فيه الصخرة بالنسبة لنا كف.

عندما نرمي الصخرة ، ستتحول طاقتها الحركية إلى طاقة إمكانية بلوغ قيمة قصوى عندما تصل الصخرة إلى ارتفاع معين وتتباطأ سرعتها مكتمل. كما ترى ، هناك طريقتان لعرض هذا المثال:

1) عندما نرمي الصخرة لأعلى ، فإنها تبطئ بسبب قوة الجاذبية الأرضية التي تمارسها الأرض.

2) عندما نرمي الصخرة لأعلى ، فإنها تبطئ لأن طاقتها الحركية تتحول إلى طاقة كامنة.

هذا هنا له أهمية كبيرة لأن تطور من نفس النظام يمكن النظر إليها من حيث القوى المؤثرة أو من حيث الطاقة.

القوى المحافظة

في المثال السابق ذُكر أن هناك طاقة كامنة مرتبطة بقوة الجاذبية ، لكن هل هذا صالح لأي قوة؟ الجواب على هذا السؤال لا ، وهذا صالح فقط لنوع من القوة تسمى "القوى المحافظة" ، من أمثلة هذه الجاذبية ، القوة المرنة ، القوة كهربائي إلخ.
من سمات القوى المحافظة أن العمل الميكانيكي الذي يقومون به على الجسم لنقله من نقطة إلى أخرى مستقل عن المسار الذي يتبعه. قال الجسم من النقطة الأولية إلى النهاية ، هذا هو نفس القول بأن العمل الميكانيكي الذي تقوم به قوة محافظة في مسار مغلق يساوي صفر.

لتصور هذا ، دعنا نعود إلى مثالنا السابق ، عندما نرمي الصخرة لأعلى ، ستبدأ الجاذبية في القيام بـ العمل الميكانيكي السلبي (المعاكس للحركة) عليه مما يؤدي إلى فقدان الطاقة الحركية واكتساب الطاقة القدره. عندما تصل الصخرة إلى أقصى ارتفاع لها ستتوقف وتبدأ في السقوط ، وستقوم الجاذبية الآن بعملها ميكانيكية إيجابية على الصخر والتي ستظهر في فقدان الطاقة الكامنة واكتساب الطاقة حركية. ينتهي مسار الصخرة عندما تصل إلى أيدينا مرة أخرى بنفس الطاقة الحركية التي انطلقت بها (في حالة عدم وجود مقاومة هواء).

في هذا المثال ، وصلت الصخرة إلى نفس النقطة التي بدأت منها ، لذا يمكننا القول أنها صنعت مسارًا مغلقًا. عندما كانت الصخور ترتفع ، قامت الجاذبية بعمل ميكانيكي سلبي وعندما كانت الصخور تتساقط ، قامت الجاذبية بعمل ميكانيكي إيجابي. بنفس حجم الشغل السابق ، وبالتالي ، فإن إجمالي الشغل الذي تقوم به قوة الجاذبية على طول مسار الصخرة بالكامل يساوي صفر. القوى التي لا تمتثل لذلك تسمى "القوات غير المحافظة" وبعض الأمثلة على ذلك الاحتكاك والاحتكاك.

شيء آخر يمكننا رؤيته في المثال أعلاه هو العلاقة بين الطاقة الحركية والطاقة الكامنة والعمل الميكانيكي. يمكننا القول بأنه:

\ (\ text {} \! \! \ Delta \! \! \ text {} K = W \)

\ (\ text {} \! \! \ Delta \! \! \ text {} U = -W \)

حيث \ (\ text {} \! \! \ Delta \! \! \ text {} K \) هو التغير في الطاقة الحركية ، \ (\ text {} \! \! \ Delta \! \! \ text { } U \) هو التغيير في الطاقة الكامنة و \ (W \) هو العمل الميكانيكي.

الحفاظ على الطاقة الميكانيكية

كما ذكرنا في البداية ، فإن الطاقة الميكانيكية لنظام ما هي مجموع طاقته الكامنة وطاقته الحركية. لنكن \ (M \) الطاقة الميكانيكية ، لدينا:

\ (م = ك + ش \)

الطاقة الميكانيكية لنظام مغلق تتفاعل فيه فقط القوى المحافظة (وليس الاحتكاك أو الاحتكاك) هي الكمية التي يتم الحفاظ عليها مع تطور النظام. من أجل رؤية هذا ، دعونا نتذكر أننا ذكرنا سابقًا أن \ (\ text {} \! \! \ Delta \! \! \ text {} K = W \) و \ (\ text {} \! \! \ Delta \! \! \ text {} U = -W \) ، يمكننا بعد ذلك أن نقول:

\ (\ text {} \! \! \ Delta \! \! \ text {} K = - \ text {} \! \! \ Delta \! \! \ text {} U \)

لنفترض أنه عند نقطة ما \ (أ \) يحتوي نظامنا على طاقة حركية \ ({{K} _ {A}} \) وطاقة محتملة \ ({{U} _ {A}} \) ، بعد ذلك يتطور نظامنا إلى النقطة \ (B \) التي يكون فيها عندها طاقة حركية \ ({{K} _ {B}} \) وطاقة كامنة \ ({{U} _ {B}} \). حسب المعادلة أعلاه:

\ ({{K} _ {B}} - {{K} _ {A}} = - \ left ({{U} _ {B}} - {{U} _ {A}} \ right) \)

إعادة ترتيب شروط هذه المعادلة قليلاً ، نحصل على:

\ ({{K} _ {A}} + {{U} _ {A}} = {{K} _ {B}} + {{U} _ {B}} \)

لكن إذا نظرنا عن كثب ، يمكننا أن نرى أن \ ({K} _ {A}} + {{U} _ {A}} \) هي الطاقة الميكانيكية للنظام عند النقطة \ (A \) و \ ({{K} _ {B}} + {{U} _ {B}} \) هي الطاقة الميكانيكية عند النقطة \ (B \). لنفترض أن \ ({{M} _ {A}} \) و \ ({{M} _ {B}} \) هما الطاقات الميكانيكية للنظام عند النقطة \ (أ \) وعند النقطة \ (ب \) على التوالي ، يمكننا بعد ذلك استنتاج ما يلي:

\ ({{M} _ {A}} = {{M} _ {B}} \)

وهذا يعني أن الطاقة الميكانيكية محفوظة. يجب التأكيد على أن هذا لا يصلح إلا مع القوى المحافظة ، لأنه في وجود قوى غير محافظة ، مثل الاحتكاك أو الاحتكاك ، هناك تبديد للطاقة.

مراجع

ديفيد هاليداي وروبرت ريسنيك وجيرل ووكر. (2011). أساسيات الفيزياء. الولايات المتحدة: John Wiley & Sons، Inc.