جميع طلاب الفيزياء لديهم إمكانات - الطاقة الكامنة ، أي. لكن أولئك الذين يأخذون الوقت الكافي لتحديد ما يعنيه ذلك من حيث الفيزياء سيكون لديهمالمزيد من الإمكاناتللتأثير على العالم من حولهم أكثر من أولئك الذين لا يفعلون ذلك. على أقل تقدير ، سيكونون قادرين على الرد عن قصد على شخص بالغ مزعج باستخدام سخرية من الإنترنت: "أنا لست كسولًا ، أنا مليء بالطاقة الكامنة."
ما هي الطاقة الكامنة؟
قد يبدو مفهوم الطاقة الكامنة محيرًا في البداية. لكن باختصار ، يمكنك التفكير في الطاقة الكامنة على أنها طاقة مخزنة. لديهاالقدرهللتحول إلى حركة وتحقيق شيء ما ، مثل بطارية لم يتم توصيلها بعد أو طبق من السباغيتي الذي على وشك تناوله في الليلة السابقة للسباق.
الطاقة الكامنة هي واحدة من ثلاث فئات واسعة من الطاقة الموجودة في الكون. والنوعان الآخران هما الطاقة الحركية ، وهي طاقة الحركة ، والطاقة الحرارية ، وهي نوع خاص غير قابل لإعادة الاستخدام من الطاقة الحركية.
بدون الطاقة الكامنة ، لا يمكن توفير أي طاقة لاستخدامها لاحقًا. لحسن الحظ ، يوجد الكثير من الطاقة الكامنة ، وهي تتحول باستمرار ذهابًا وإيابًا بينها وبين الطاقة الحركية ، مما يجعل الأشياء تحدث.
مع كل تحول ، تتحول بعض الطاقة الكامنة والحركية إلى طاقة حرارية ، تُعرف أيضًا باسم الحرارة. في النهاية ، ستتحول كل طاقة الكون إلى طاقة حرارية ، وسيواجه "الموت الحراري" عندما لا توجد طاقة كامنة أخرى. ولكن حتى ذلك الوقت المستقبلي البعيد ، ستبقي الطاقة الكامنة إمكانيات العمل مفتوحة.
وحدة SI للطاقة الكامنة ، وأي وحدة للطاقة لهذه المسألة ، هي الجول ، حيث 1 جول = 1 (نيوتن) (متر).
أنواع وأمثلة الطاقة الكامنة
هناك أنواع عديدة من الطاقة الكامنة. من بين هذه الأشكال من الطاقة:
طاقة الوضع الميكانيكي:تُعرف أيضًا باسم طاقة الجاذبية الكامنة ، أو GPE ، وهذا يشير إلى الطاقة المخزنة بواسطةموضع الجسم بالنسبة إلى مجال الجاذبية ، مثل ذلك القريب من سطح الأرض.
على سبيل المثال ، الكتاب الموجود أعلى الرف لديه القدرة على السقوط بسبب قوة الجاذبية. وكلما كانت أعلى بالنسبة إلى الأرض - وبالتالي بالنسبة إلى الأرض ، مصدر مجال الجاذبية - كلما طالت فترة السقوط لديها القدرة على اجتيازها. المزيد عن هذا لاحقًا.
الطاقة الكامنة الكيميائية:الطاقة المخزنة في الروابط الجزيئية هي طاقة كيميائية. يمكن إطلاقها وتحويلها إلى طاقة حركية عن طريق كسر الروابط.ومن ثم ، فكلما زاد عدد الروابط في الجزيء ، زادت الطاقة الكامنة التي يحتوي عليها.
على سبيل المثال ، عند تناول الطعام ، تكسر عملية الهضم جزيئات الدهون أو البروتينات أو الكربوهيدرات أو الأحماض الأمينية حتى يتمكن الجسم من استخدام تلك الطاقة للتحرك. نظرًا لأن الدهون هي الأطول من بين تلك الجزيئات التي تحتوي على أكبر عدد من الروابط بين الذرات ، فإنها تخزن أكبر قدر من الطاقة.
وبالمثل ، فإن جذوع الأشجار المستخدمة في نار المخيم تحتوي على طاقة كيميائية محتملة يتم إطلاقها عند حرقها وتنكسر الروابط بين الجزيئات في الخشب. أي شيء يتطلب تفاعلًا كيميائيًا "للانطلاق" - بما في ذلك استخدام البطاريات أو حرق البنزين في السيارة - يحتوي على طاقة كيميائية محتملة.
الطاقة الكامنة المرنة:هذا النوع من الطاقة الكامنة هو الطاقة المخزنة في تشوه الجسم من شكله الطبيعي. عندما يتم شد جسم أو ضغطه عن شكله الأصلي - على سبيل المثال شريط مطاطي مسحوب أو زنبرك مثبت في ملف محكم - فإنه يحتوي علىالقدرهللربيع أو الارتداد عند إطلاقه. أو يتم الضغط على وسادة الأريكة الإسفنجية ببصمة شخص يجلس عليها بحيث ، عندما يقفون ، ترتفع البصمة ببطء إلى الوراء حتى تبدو الأريكة كما كانت قبل جلوسهم.
الطاقة النووية الكامنة:يتم تخزين الكثير من الطاقة الكامنة بواسطة القوى النووية التي تربط الذرات ببعضها البعض. على سبيل المثال ، القوة النووية الشديدة داخل نواة تمسك البروتونات والنيوترونات في مكانها. هذا هو السبب في أنه من الصعب للغاية تقسيم الذرات ، وهي عملية تحدث فقط في المفاعلات النووية ، أو معجلات الجسيمات ، أو مراكز النجوم أو حالات الطاقة العالية الأخرى.
لا ينبغي الخلط بينه وبين الطاقة الكامنة الكيميائية ، يتم تخزين الطاقة النووية المحتملةداخل الذرات الفردية. كما يذكر اسمها ، تمثل القنابل الذرية أحد أكثر استخدامات البشرية عدوانية للطاقة النووية المحتملة.
طاقة الوضع الكهربائي:يتم تخزين هذه الطاقة عن طريق الاحتفاظ بالشحنات الكهربائية في تكوين معين. على سبيل المثال ، عندما تكون سترة بها الكثير من الشحنات السالبة المتراكمة قريبة من جسم موجب أو محايد ، فإنها تحتوي علىالقدرهلإحداث الحركة عن طريق جذب الشحنات الموجبة وصد الشحنات السالبة الأخرى.
أي جسيم مشحون فردي مثبت في مكانه في مجال كهربائي له أيضًا طاقة وضع كهربائي. هذا المثال يماثل طاقة وضع الجاذبية من حيث أن موضع الشحنة بالنسبة إلى المجال الكهربائي هو ما يحدد مقدار الطاقة الكامنة الخاصة به ، تمامًا مثل موضع الجسم بالنسبة إلى مجال الجاذبية الذي يحدد GPE الخاص به.
صيغة طاقة الجاذبية المحتملة
الطاقة الكامنة للجاذبية ، أو GPE ، هي واحدة من أنواع الطاقة القليلة التي يقوم طلاب الفيزياء بالمدارس الثانوية بإجراء حسابات لها (البعض الآخر عبارة عن طاقة حركية خطية ودورانية). ينتج عن قوة الجاذبية. المتغيرات التي تؤثر على مقدار GPE الذي يحتويه الكائن على الكتلةمالتسارع بسبب الجاذبيةزوالارتفاعح.
GPE = mgh
حيث يتم قياس GPE بالجول (J) ، الكتلة بالكيلوجرام (كجم) ، التسارع بسبب الجاذبية بالأمتار في الثانية في الثانية (م / ث2) والارتفاع بالمتر (م).
لاحظ أنه على الأرض ،زيتم التعامل معها على أنها تساوي دائمًا 9.8 م / ث2. في الأماكن الأخرى التي لا تكون فيها الأرض هي المصدر المحلي لتسارع الجاذبية ، مثل الكواكب الأخرى ،زله قيم أخرى.
تشير صيغة GPE إلى أنه كلما زاد حجم الجسم أو زاد ارتفاعه ، زادت الطاقة الكامنة التي يحتوي عليها. وهذا بدوره يفسر السبب في أن العملة التي يتم إسقاطها من أعلى المبنى سوف تسير بسرعة أكبر في الجزء السفلي من تلك التي يتم إسقاطها من جيب الشخص فوق الرصيف مباشرةً. (هذا أيضًا توضيح للحفاظ على الطاقة: عندما يسقط الجسم ، فإن طاقته الكامنة يتناقص ، لذلك يجب أن تزيد طاقته الحركية بنفس المقدار حتى تبقى الطاقة الإجمالية ثابت.)
البدء من ارتفاع أعلى يعني أن العملة المعدنية سوف تتسارع لأسفل على مسافة أطول ، مما يؤدي إلى سرعة أكبر بنهاية الرحلة. أو ، للاستمرار في التحرك لمسافة أطول ، يجب أن يكون العملة المعدنية الموجودة على السطح قد بدأت بمزيد من الطاقة الكامنة ، والتي تحددها صيغة GPE.
مثال GPE
رتب الأشياء التالية من الأكثر إلى الأقل طاقة وضع الجاذبية:
- سيدة تزن 50 كجم على قمة سلم 3 أمتار
- صندوق متحرك يزن 30 كجم على قمة هبوط 10 م
- تم وضع قضيب حديد وزنه 250 كجم على ارتفاع 0.5 متر فوق رأس رافعة كهربائية
لمقارنتها ، احسب GPE لكل موقف باستخدام الصيغة GPE = mgh.
- امرأة GPE = (55 كجم) (9.8 م / ث2) (3 م) = 1،617 جول
- صندوق متحرك GPE = (30 كجم) (9.8 م / ث2) (10 م) = 2940 جول
- Barbell GPE = (250 كجم) (9.8 م / ث2) (0.5 م) = 1470 جول
لذا ، من الأكثر إلى الأقل GPE ، الترتيب هو: صندوق متحرك ، امرأة ، بار.
لاحظ أنه ، رياضيًا ، نظرًا لأن جميع الكائنات كانت على الأرض ولها نفس القيمةز، فإن ترك هذا الرقم سيؤدي إلى الترتيب الصحيح (ولكن القيام بذلك سيؤدي إلىليستعطي الكميات الفعلية من الطاقة بالجول!).
ضع في اعتبارك بدلاً من ذلك أن الصندوق المتحرك كان على سطح المريخ بدلاً من الأرض. على المريخ ، يكون التسارع الناتج عن الجاذبية حوالي ثلث ما هو عليه على الأرض. هذا يعني أن الصندوق المتحرك سيحتوي على حوالي ثلث كمية GPE على المريخ عند ارتفاع 10 أمتار ، أو 980 ج.