الطاقة هي القدرة على القيام بالشغل، فهناك أشكال مختلفة من الطاقة التي يمكن تحويلها إلى أنواع مختلفة منها: كما هو الحال في الشلالات حيث يتم تحويل الطاقة الكامنة إلى طاقة حركية، كذلك الطاقة الكهربائية في المصباح الكهربائي يتم تحويلها إلى طاقة حرارية وفق قانون حفظ الطاقة الذي يعني أن الدخل والخرج متساويان دائماً.
وكذا الحال مع الطاقة الكيميائية المخزنة في الفحم والبنزين وأنواع أخرى من الوقود يتم تحويلها بواسطة الاحتراق إلى الطاقة الحرارية ومن ثم الى شغل ميكانيكي يستخدم في التنقل مثل السيارات والقطارات، وعند تحويل الطاقة من شكل إلى آخر، تظل كمية الطاقة ثابتة، وهذا ما يعرف بقانون حفظ الطاقة، الذي ينص على: “أن الطاقة لا تفنى ولا تستحدث، لكن يمكن تحويلها من شكل إلى آخر”.
قانون حفظ الطاقة الميكانيكية
على افتراض أن جسيم له الكتلة (m) يتجه عموديا صعودا من النقطة (1) عند سرعة أولية (vi) للوصول إلى النقطة (2) بالسرعة النهائية (vf)، فإن الشغل المنجز على الجسم أثناء الارتفاع يؤدي إلى:
- زيادة في الطاقة الكامنة للجسم مع الارتفاع.
- انخفاض في الطاقة الحركية للجسم بسبب انخفاض في سرعته.
وفقا للمعادلة الثالثة للحركة:
vf² − vi² = 2 a d
حيث a هو التعجيل (التسارع) و d هي المسافة التي يقطعها الجسم، بما أن الجسم ينطلق صعودا عكس الجاذبية، فإنه يتباطأ بشكل منتظم، ويتم التعويض عن قيمة a بقيمة التعجيل الأرضي مع إشارة سالبة لأن الجسم يتحرك عكس جاذبية الأرض، وعليه نضرب طرفي المعادلة بالمقدار ( ½ m) مع بعض التبسيط الرياضي فنحصل على المعادلة أدناه:
(m gyi) + (½ m vi²)= (m g yf) + (½ m vf²)
ومن المعادلة اعلاه نجد أن:
PEf + KEf = PEi + KEi
وهذا يعني: أن مجموع الطاقة الحركية والكامنة في الموضع النهائي يساوي مجموع الطاقة الحركية والكامنة في الوضع الابتدائي، ومجموع الطاقة الحركية والطاقة الكامنة لأي جسم تحت تأثير الجاذبية فقط يساوي مقدار ثابت، حيث إن الجسم الساقط بتأثير الجاذبية نحو الأرض سوف تزداد طاقته الحركية (لازدياد السرعة كلما اقترب من الارض) بنفس المقدار الذي ينقص من الطاقة الكامنة (لأن ارتفاعه عن الارض يقل تدريجاّ) والعكس صحيح مع بقاء مجموع كل الطاقتين ثابت وهذا هو قانون حفظ الطاقة .
أمثلة من الحياة اليومية على قانون حفظ الطاقة
- لعبة الأفعوانية: حيث تملك عربة الأفعوانية أقصى طاقة كامنة لها عندما تصل قمة السكة (بسبب زيادة الارتفاع) ومن ثم تتحول تلك الطاقة إلى طاقة حركية أثناء انزلاق العربة نحو الأسفل.
- القوس والسهم: يتم تخزين الطاقة الكامنة في سلك القوس ليتم تحريرها إلى طاقة حركية أثناء انطلاق السهم.
- في رياضة القفز بالزانة يتم تخزين الطاقة في العصا ومن ثم تتحرر على شكل طاقة حركية.
- رمي جسم نحو الأعلى: عند لحظة قذف الكرة من الأرض نحو الأعلى فإن الطاقة الكامنة لها تساوي صفر (لا يوجد ارتفاع) في حين أن الطاقة الحركية تكون بأعظم مقدار (سرعة قذف الكرة تكون كبيرة) عندما تبدا الكرة بالصعود تدريجيا فإن الطاقة الكامنة تزداد (لازدياد الارتفاع) وتقل الطاقة الحركية (لأن السرعة تقل تدريجيا) عندما تصل الكرة أقصى ارتفاع فإن الطاقة الكامنة تكون بأعظم مقدار ويكون مقدار الطاقة الحركية صفر.
وأخيرا، عندما تبدأ الكرة بالسقوط نحو الأسفل فإنه يمكننا أن نستنتج أن الارتفاع يقل تدريجياَ، مما يعني أن الطاقة الكامنة تقل تدريجيا كلما اقتربت الكرة من الأرض، في حين أن سرعة الكرة تزداد كلما اقتربت من الأرض بسبب زيادة السرعة حتى تصل الكرة للأرض فحينها تكون الطاقة الكامنة تساوي صفرا وعندها تكون الطاقة الحركية بأعظم مقدار. ووفق حفظ الطاقة لم يكن هناك أية ضياعات.
- ترجمة :مصطفى المالكي.
- تدقيق: إبتهال القدار
- تحرير : رغدة عاصي
- المصدر
