الطاقة الكامنة: الخصائص والأنواع والحساب والأمثلة - جسدي - بدني - 2025

و الطاقة الكامنة هي الطاقة التي الجثث تحت التكوين الخاص بها. عندما تتفاعل الأشياء ، توجد قوى فيما بينها قادرة على القيام بالعمل ، وهذه القدرة على القيام بالعمل ، المخزنة في ترتيبها ، يمكن ترجمتها إلى طاقة.

على سبيل المثال ، سخر البشر الطاقة الكامنة للشلالات منذ زمن بعيد ، أولاً عن طريق الغزل المطاحن ثم في محطات الطاقة الكهرومائية.

شلالات نياجرا: خزان ضخم لطاقة وضع الجاذبية. المصدر: Pixabay.

من ناحية أخرى ، تتمتع العديد من المواد بقدرة رائعة على القيام بالعمل عن طريق التشويه ثم العودة إلى حجمها الأصلي. وفي ظروف أخرى ، يسمح ترتيب الشحنة الكهربائية بتخزين الطاقة الكهربائية الكامنة ، على سبيل المثال في المكثف.

توفر الطاقة الكامنة العديد من الاحتمالات ليتم تحويلها إلى أشكال أخرى من الطاقة القابلة للاستخدام ، ومن هنا تأتي أهمية معرفة القوانين التي تحكمها.

أصل الطاقة الكامنة

ينشأ أصل الطاقة الكامنة للجسم في القوى التي تؤثر عليه. ومع ذلك ، فإن الطاقة الكامنة هي كمية قياسية ، بينما القوى متجهة. لذلك ، لتحديد الطاقة الكامنة ، يكفي تحديد قيمتها العددية والوحدات المختارة.

ميزة أخرى مهمة هي نوع القوة التي يمكن بها تخزين الطاقة الكامنة ، حيث لا تتمتع كل قوة بهذه الفضيلة. فقط القوى المحافظة تخزن الطاقة الكامنة في الأنظمة التي تعمل على أساسها.

القوة المحافظة هي القوة التي لا يعتمد العمل فيها على المسار الذي يتبعه الكائن ، ولكن فقط على نقطة البداية ونقطة الوصول. القوة التي تحرك الماء المتساقط هي الجاذبية ، وهي قوة محافظة.

من ناحية أخرى ، تتمتع القوى المرنة والكهرباء الساكنة أيضًا بهذه الجودة ، وبالتالي هناك طاقة محتملة مرتبطة بها.

تسمى القوى التي لا تستوفي المتطلبات المذكورة أعلاه بأنها غير محافظة ؛ ومن الأمثلة على ذلك مقاومة الاحتكاك والهواء.

أنواع الطاقة الكامنة

نظرًا لأن الطاقة الكامنة تُستمد دائمًا من القوى المحافظة مثل تلك التي سبق ذكرها ، فإننا نتحدث عن طاقة الجاذبية الكامنة ، والطاقة الكامنة المرنة ، والطاقة الكهروستاتيكية الكامنة ، والطاقة النووية الكامنة ، والطاقة الكيميائية الكامنة.

طاقة الجاذبية الكامنة

أي جسم لديه طاقة وضع كدالة لارتفاعه من الأرض. هذه الحقيقة التي تبدو بسيطة توضح سبب قدرة المياه المتساقطة على قيادة التوربينات وتحويلها في النهاية إلى طاقة كهربائية. يوضح مثال المتزلج الموضح هنا أيضًا العلاقة بين الوزن والطول والطاقة الكامنة للجاذبية.

مثال آخر هو سيارة الأفعوانية ، التي لديها طاقة كامنة أعلى عندما تكون على ارتفاع معين فوق الأرض. بمجرد أن يصل إلى مستوى الأرض ، فإن ارتفاعه يساوي الصفر وتتحول كل طاقته الكامنة إلى طاقة حركية (طاقة الحركة).

يوضح الرسم المتحرك التبادل بين طاقة وضع الجاذبية والطاقة الحركية لجسم يتحرك على أفعوانية. مجموع كلتا الطاقتين ، المسماة الطاقة الميكانيكية ، ثابت طوال الحركة. المصدر: ويكيميديا ​​كومنز.

الطاقة الكامنة المرنة

كائنات مثل الينابيع ، والأقواس ، والأقواس ، والأربطة المطاطية قادرة على تخزين الطاقة الكامنة المرنة.

من خلال رسم القوس ، يقوم الرامي بعمل يتم تخزينه كطاقة محتملة لنظام السهم القوس. عندما تحرر القوس ، تتحول هذه الطاقة إلى حركة السهم. المصدر: Pixabay.

مرونة الجسم أو المادة موصوفة في قانون هوك (حتى حدود معينة) ، والذي يخبرنا أن القوة القادرة على التأثير عندما يتم ضغطها أو شدها تتناسب مع تشوهها.

على سبيل المثال في حالة وجود زنبرك أو زنبرك ، فهذا يعني أنه كلما تقلص أو تمدد ، زادت القوة التي يمكن أن يمارسها على جسم موضوع في أحد طرفيه.

الطاقة الكامنة الكهروستاتيكية

إنها الطاقة التي تمتلكها الشحنات الكهربائية بحكم تكوينها. الشحنات الكهربائية من نفس العلامة تتنافر مع بعضها البعض ، لذلك لوضع زوج من الشحنات الموجبة أو السالبة في موضع معين ، يجب أن يقوم الوكيل الخارجي بالعمل. وإلا فإنهم يميلون إلى الانفصال.

يتم تخزين هذا العمل بالطريقة التي تم بها تحديد الأحمال. وكلما اقتربت رسوم نفس العلامة ، زادت الطاقة الكامنة في التكوين. يحدث العكس عندما يتعلق الأمر بالكثير من العلامات المختلفة ؛ عندما يجذبون بعضهم البعض ، كلما اقتربوا ، قلت الطاقة الكامنة لديهم.

الطاقة النووية الكامنة

تمثيل تقريبي لذرة الهليوم. يتم تمثيل البروتونات في النواة باللون الأحمر والنيوترونات باللون الأزرق.

تتكون النواة الذرية من البروتونات والنيوترونات ، والتي تسمى بشكل عام النوكليونات. الأول له شحنة كهربائية موجبة والأخير محايد.

نظرًا لأنها متكتلة في مساحة صغيرة تفوق الخيال ، ومعرفة أن الشحنات من نفس العلامة تتنافر مع بعضها البعض ، يتساءل المرء كيف تظل نواة الذرة متماسكة.

تكمن الإجابة في قوى أخرى غير التنافر الإلكتروستاتيكي ، وهي خاصية النواة ، مثل التفاعل النووي القوي والتفاعل النووي الضعيف. هذه قوى قوية للغاية ، تتجاوز بكثير القوة الكهروستاتيكية.

طاقة الوضع الكيميائي

يأتي هذا النوع من الطاقة الكامنة من كيفية ترتيب ذرات وجزيئات المواد ، وفقًا لأنواع مختلفة من الروابط الكيميائية.

عندما يحدث تفاعل كيميائي ، يمكن تحويل هذه الطاقة إلى أنواع أخرى ، على سبيل المثال عن طريق خلية أو بطارية كهربائية.

أمثلة على الطاقة الكامنة

الطاقة الكامنة موجودة في الحياة اليومية بعدة طرق. إن ملاحظة آثاره سهلة مثل وضع أي جسم على ارتفاع معين والتأكد من قدرته على التدحرج أو السقوط في أي وقت.

فيما يلي بعض مظاهر أنواع الطاقة الكامنة الموصوفة سابقًا:

- الوقايات الأسطوانية

- سيارات أو كرات تتدحرج إلى أسفل

-الأقواس والسهام

- البطاريات الكهربائية

-ساعة بندول

عندما يتم تشغيل إحدى الكرات الموجودة في النهايات ، تنتقل الحركة إلى المجالات الأخرى. المصدر: Pixabay.

- يتأرجح على أرجوحة

-اقفز على الترامبولين

-استخدام قلم قابل للسحب.

انظر: أمثلة على الطاقة الكامنة.

حساب الطاقة الكامنة

تعتمد الطاقة الكامنة على الشغل الذي تقوم به القوة وهذا بدوره لا يعتمد على المسار ، لذلك يمكن القول:

- إذا كانت A و B نقطتين ، فإن الشغل W _AB اللازم للانتقال من A إلى B يساوي العمل اللازم للانتقال من B إلى A. لذلك: W _AB = W _BA ، لذلك:

- وإذا حاول مساران مختلفان 1 و 2 لضم النقطتين A و B ، فإن العمل المنجز في كلتا الحالتين هو نفسه أيضًا:

W ₁ = W ₂.

في كلتا الحالتين ، يتعرض الكائن لتغيير في الطاقة الكامنة:

حسنًا ، تُعرَّف الطاقة الكامنة للكائن على أنها سلبية الشغل الذي تقوم به القوة (المحافظة):

ولكن بما أن هذا التكامل يعرف بالعمل:

:

لاحظ أن وحدات الطاقة الكامنة هي نفس وحدات الشغل. في نظام SI الدولي ، الوحدة هي الجول ، والتي يتم اختصارها J وتساوي 1 نيوتن × متر ، بواسطة الفيزيائي الإنجليزي جيمس جول (1818-1889).

تشمل الوحدات الأخرى للطاقة cgs erg و pound-force x foot و BTU (الوحدة الحرارية البريطانية) والسعرات الحرارية والكيلوواط / ساعة.

دعونا نرى أدناه بعض الحالات الخاصة لكيفية حساب الطاقة الكامنة.

حساب طاقة الجاذبية الكامنة

على مقربة من سطح الأرض ، تتجه قوة الجاذبية عموديًا إلى الأسفل ويتم تحديد حجمها من خلال المعادلة الوزن = الكتلة × الجاذبية.

دلالة على المحور الرأسي بالحرف "y" وتخصيص متجه الوحدة j ، موجب لأعلى وسالب لأسفل ، للتغير في الطاقة الكامنة عندما يتحرك الجسم من y = y _A إلى y = و _B هو:

حساب الطاقة الكامنة المرنة

يخبرنا قانون هوك أن القوة تتناسب مع التشوه:

هنا x هي الإجهاد و k هو ثابت eigen للربيع ، مما يشير إلى مدى قوته. من خلال هذا التعبير ، يتم حساب الطاقة الكامنة المرنة ، مع الأخذ في الاعتبار أن أنا هو متجه الوحدة في الاتجاه الأفقي:

حساب طاقة الوضع الكهروستاتيكي

عندما يكون لديك نقطة شحنة كهربائية Q ، فإنها تنتج مجالًا كهربائيًا يستشعر نقطة شحنة أخرى q ، والتي تعمل عليها عندما تنتقل من موضع إلى آخر في منتصف المجال. القوة الكهروستاتيكية بين شحنتين نقطتين لها اتجاه شعاعي ، يُرمز إليه بواسطة متجه الوحدة r:

الشكل على سبيل المثال 1. المصدر: F. Zapata.

المحلول

عندما تكون الكتلة على ارتفاع h _A بالنسبة للأرض ، فإنها تمتلك طاقة وضع جاذبية نظرًا لارتفاعها. عند إطلاقها ، تتحول هذه الطاقة الكامنة تدريجياً إلى طاقة حركية ، وعندما تنزلق إلى أسفل المنحدر المنحني الأملس ، تزداد سرعتها.

أثناء المسار من A إلى B ، لا يمكن تطبيق معادلات الحركة المستقيمة المتنوعة بشكل منتظم. على الرغم من أن الجاذبية مسؤولة عن حركة الكتلة ، فإن الحركة التي تتعرض لها تكون أكثر تعقيدًا ، لأن المسار ليس مستقيمًا.

الحفاظ على الطاقة في المسار AB

ومع ذلك ، نظرًا لأن الجاذبية هي قوة محافظة ولا يوجد احتكاك على المنحدر ، يمكنك استخدام حفظ الطاقة الميكانيكية لإيجاد السرعة في نهاية المنحدر:

يتم تبسيط التعبير من خلال ملاحظة أن الكتلة تظهر في كل حد. يتم تحريرها من الراحة v _A = 0. و h _B عند مستوى الأرض ، h _B = 0. مع هذه التبسيط ، يتم تقليل التعبير إلى:

العمل المنجز بالفرك في القسم قبل الميلاد

تبدأ الكتلة الآن رحلتها في المقطع الخشن بهذه السرعة وتتوقف أخيرًا عند النقطة C. لذلك لم تعد v _C = 0. الطاقة الميكانيكية لم تعد محفوظة ، لأن الاحتكاك هو قوة تبديد ، مما جعل العمل على الكتلة التي قدمها:

هذا العمل له علامة سلبية ، لأن الاحتكاك الحركي يبطئ الجسم ، ويعارض حركته. حجم الاحتكاك الحركي f _k هو:

حيث N هو مقدار القوة العمودية. يتم التأثير على القوة الطبيعية من السطح الموجود على الكتلة ، وبما أن السطح أفقي تمامًا ، فإنه يوازن الوزن P = mg ، وبالتالي فإن الحجم الطبيعي هو:

التي تؤدي إلى:

العمل الذي تقوم به f _k على الكتلة هو: W _k = - f _k.D = - μ _k.mg.D.

حساب التغيير في الطاقة الميكانيكية

هذا العمل يعادل التغير في الطاقة الميكانيكية ، محسوبًا على النحو التالي:

في هذه المعادلة ، هناك بعض المصطلحات التي تختفي: K _C = 0 ، حيث أن الكتلة تتوقف عند C و U _C = U _B تختفي أيضًا ، لأن هذه النقاط عند مستوى الأرض. ينتج عن التبسيط:

تلغي الكتلة مرة أخرى ويمكن الحصول على D على النحو التالي:

المراجع

1. باور ، دبليو 2011. فيزياء الهندسة والعلوم. المجلد 1. ماك جراو هيل.
2. فيغيروا ، د. (2005). السلسلة: فيزياء العلوم والهندسة. المجلد 2. ديناميات. حرره دوغلاس فيغيروا (USB).
3. جيانكولي ، د. 2006. الفيزياء: مبادئ مع تطبيقات. السادس. إد برنتيس هول.
4. Knight، R. 2017. الفيزياء للعلماء والهندسة: نهج إستراتيجي. بيرسون.
5. سيرز ، زيمانسكي. 2016. الفيزياء الجامعية مع الفيزياء الحديثة. الرابع عشر. إد. المجلد 1-2.