طاقة الحركة ترتبط بحركة الجسم، بينما ترتبط طاقة الوضع بترتيب أجزاء نظام أو مواقعها النسبية. جسم ساكن على ارتفاع قد تكون له طاقة وضع جاذبية، وجسم يتحرك قرب مستوى الصفر قد تكون له طاقة حركة. يمكن أن توجد الطاقتان معًا؛ السؤال عن معناهما وحسابهما لا عن اختيار واحدة فقط. [1][2]
المعنى والقانون
| وجه المقارنة | طاقة الحركة الانتقالية | طاقة وضع الجاذبية قرب سطح الأرض |
|---|---|---|
| ما الذي نحتاجه للحساب؟ | الكتلة والسرعة | الكتلة والارتفاع و g |
| صيغة نموذجنا | KE = ½mv² | PE = mgh |
| الوحدة | الجول | الجول |
| مرجع مهم | السرعة بالنسبة إلى إطار الحركة المختار | مستوى الارتفاع الذي جعلناه صفرًا |
طاقة الحركة في هذا الجدول انتقالية؛ لا نحسب بها وحدها طاقة دوران عجلة حول محورها. وطاقة الوضع لا تقتصر على الجاذبية؛ للزنبرك أو للشحنات ترتيب آخر وقوانين أخرى. [1][2]
لماذا تؤثر السرعة تربيعيًا؟
إذا كانت كتلة الجسم 2 كغ وسرعته 3 م/ث، فطاقته ½ × 2 × 3² = 9 J. إذا أصبحت السرعة 6 م/ث مع الكتلة نفسها، صارت الطاقة ½ × 2 × 6² = 36 J. تضاعفت السرعة، فصارت الطاقة أربعة أمثالها.
أما مضاعفة الكتلة وحدها مع ثبات السرعة فتضاعف طاقة الحركة. افصل العامل الذي تغير عن العوامل التي بقيت ثابتة، ولا تستبدل تربيع السرعة بضربها في 2. ويدخل مقدار السرعة في هذه الصيغة، لا اتجاه الحركة. [1]
اختيار الصفر في طاقة الوضع
في نموذج قريب من سطح الأرض، مع اعتبار g ثابتة، نستعمل PE = mgh بالنسبة إلى مستوى اخترناه صفرًا. يمكن أن يكون سطح الأرض أو طاولة أو مستوى آخر يناسب السؤال. المهم أن نستخدم المرجع نفسه في المقارنة. [2]
إذا وضعت الصفر عند سطح الطاولة، فارتفاع جسم فوقها موجب، وموضع جسم تحتها يمكن أن يعطي قيمة سالبة لطاقة الوضع. السالب هنا مرتبط بالمرجع؛ لا يعني «طاقة حركة سالبة». الفارق بين مستويين هو ما يدخل في حساب التحول.
مثال التحول أثناء السقوط
افترض كتلة 2 كغ تبدأ من السكون على ارتفاع 3 م، مع إهمال مقاومة الهواء واعتبار g=9.8 م/ث². نجعل طاقة الوضع صفرًا عند الارتفاع 0 م. عند البداية PE = 2 × 9.8 × 3 = 58.8 J، وطاقة الحركة صفر.
| الارتفاع | طاقة الوضع | طاقة الحركة | المجموع |
|---|---|---|---|
| 3 م | 58.8 جول | 0 جول | 58.8 جول |
| 2 م | 39.2 جول | 19.6 جول | 58.8 جول |
| 1 م | 19.6 جول | 39.2 جول | 58.8 جول |
| 0 م، قبل الاصطدام | 0 جول | 58.8 جول | 58.8 جول |
الصف الأخير يصف الجسم قبل الاصطدام؛ لا يقرر كيف ترتد الكرة أو كيف تتوزع الطاقة بعد ملامسة السطح. فرق طاقة الوضع انتقل إلى طاقة الحركة في نموذجنا المثالي. [2]
متى لا يبقى المجموع نفسه؟
إذا أثرت مقاومة الهواء أو احتكاك، فقد يتحول جزء من الطاقة الميكانيكية إلى أشكال أخرى، فلا يكون مجموع الحركة والوضع ثابتًا بالطريقة المعروضة. قانون حفظ الطاقة العام أوسع من حفظ هذين الحدين فقط. [1]
لذلك اكتب شروط المسألة قبل التعويض: هل توجد مقاومة؟ وهل g ثابتة تقريبًا؟ وما مستوى الصفر؟ وما إطار قياس السرعة؟ هذه الأسئلة تشرح سبب اختيار القانون وحدود النتيجة.
المصادر ومتابعة القراءة
- OpenStax: طاقة الحركة الانتقالية والشغل (يفتح في نافذة جديدة)openstax.org
- OpenStax: طاقة وضع الجاذبية والمستوى المرجعي والتحول (يفتح في نافذة جديدة)openstax.org
أُعدّ هذا المقال بصياغة عربية أصلية بالاستناد إلى المصادر أعلاه، وهو مدخل تمهيدي إلى الموضوع. اقرأ منهجية المحتوى وحدوده.