حفظ الطاقة
| English | العربية |
|---|---|
| conservation of energy/ˌkɒnsəˈveɪʃn ɒv ˈenədʒi/ | حفظ الطاقة |
| thermal energy/ˈθɜːml ˈenədʒi/ | طاقة حرارية |
قطار ترفيهي بدون محرك — ومع ذلك يسرع
- بعد التسلق الأول، يُطفأ محرك قطار الترفيه. ومع ذلك يستمر في التحرك عبر الحلقات والتلال.
- طاقته لا تُخلق ولا تُدمر — بل تنقل بين الأشكال.
- في الأعلى تكون معظمها طاقة وضع؛ وفي الأسفل، معظمها طاقة حركية.
- هذا هو حفظ الطاقة، أحد أعمق قوانين الفيزياء.
تحول الطاقة الميكانيكية
- الطاقة الميكانيكية هي مجموع الطاقة الحركية وطاقة الوضع: $E_k + E_p$.
- بدون احتكاك، يبقى هذا المجموع ثابتاً أثناء تطور الحركة.
- عند الهبوط، $E_p$ ينخفض و$E_k$ يرتفع بنفس المقدار؛ وعند الصعود، العكس.
- الطاقة تُنقل ببساطة من حساب إلى آخر.
شاهد تحول الطاقة الكامنة إلى حركية
أسقط من ارتفاع وشاهد تحول الطاقة الكامنة إلى حركية؛ أضف الاحتكاك لإرسال جزء منها للحرارة.
الطاقة الميكانيكية هي مجموع الطاقة الحركية و____ الطاقة.
الطاقة الميكانيكية $= E_k + E_p$ — الحركية زائد الكامنة.
على مسار بدون احتكاك، أين تكون الطاقة الحركية أكبر؟
في أدنى نقطة تكون الطاقة الكامنة أقل، لذا أكثر الطاقة تكون حركية — وهي أسرع نقطة.
حيث يرسل الاحتكاك الطاقة
- المسارات الحقيقية بها احتكاك، لذا تبدو الطاقة الميكانيكية وكأنها "تختفي".
- لم تختفِ — بل تحولت إلى طاقة حرارية (حرارة) في الأسطح.
- بحساب الحرارة أيضاً، فإن الطاقة الكلية لا تزال محفوظة تماماً.
- الكون يحافظ على دفتر حسابات دقيق: الطاقة تتغير فقط شكلها.
عندما يبطئ الاحتكاك مكعباً منزلقاً، تُدمر تلك الطاقة.
لا تُدمر — بل تصبح طاقة حرارية (حرارة). الطاقة الكلية محفوظة.
على منحدر حقيقي (خشن)، أين تذهب "الطاقة الميكانيكية المفقودة"؟
الاحتكاك يحول الطاقة الميكانيكية إلى طاقة حرارية. بحساب الحرارة، الإجمالي محفوظ.
استخدام مبدأ الحفظ لحل المسائل
- اجعل الطاقة في البداية مساوية للطاقة في النهاية: $E_{k,i} + E_{p,i} = E_{k,f} + E_{p,f}$.
- ل سقوط من السكون عبر ارتفاع $h$: $mgh = \tfrac12 m v^2$، إذن $v = \sqrt{2gh}$.
- لا حاجة لتتبع القوى الفوضوية أثناء الطريق — قارن فقط البداية والنهاية.
- هذه الطريقة المختصرة هي واحدة من أقوى الأدوات في الميكانيكا.
سُقط كرة من السكون من ارتفاع $5\ \text{m}$ (الجاذبية $g = 10\ \tfrac{\text{m}}{\text{s}^2}$، بدون مقاومة هواء). ما سرعتها في الأسفل، بـ $\tfrac{\text{m}}{\text{s}}$؟
$mgh = \tfrac12 mv^2 \Rightarrow v = \sqrt{2gh} = \sqrt{2\times10\times5} = 10\ \tfrac{\text{m}}{\text{s}}$.
حدد جميع العبارات الصحيحة حول تأرجح بندول بدون احتكاك.
الطاقة محفوظة، لا تُخلق: تبلغ الطاقة الكامنة ذروتها في الأعلى وتتحول إلى حركية في الأسفل.
الطاقة لا تُدمر أبداً — عندما تبدو وكأنها تختفي، فقد تحولت عادةً إلى حرارة بسبب الاحتكاك أو مقاومة الهواء. مصطلح "الطاقة المفقودة" يعني حقاً "الطاقة المنقولة إلى شكل لم نعد نحسبه".
كرة تسقط من السكون من ارتفاع $5\ \text{m}$ ($g = 10\ \tfrac{\text{m}}{\text{s}^2}$، بدون مقاومة هواء).
- كل طاقة كامنة (PE) تتحول إلى طاقة حركية (KE): $mgh = \tfrac12 m v^2$، إذن $gh = \tfrac12 v^2$.
- $v = \sqrt{2gh} = \sqrt{2 \times 10 \times 5} = \sqrt{100} = 10\ \tfrac{\text{m}}{\text{s}}$.
حفظ الطاقة: الطاقة لا تُخلق ولا تُدمر، بل تتحول فقط. بدون احتكاك، الطاقة الميكانيكية $E_k + E_p$ تبقى ثابتة، لذا $E_{k,i} + E_{p,i} = E_{k,f} + E_{p,f}$. يحول الاحتكاك الطاقة الميكانيكية إلى حرارة، لكن المجموع دائماً محفوظ.