الطاقة الميكانيكية

في العلوم الفيزيائية ، تُعرَّف الطاقة الميكانيكية بأنها مجموع طاقتي الوضع والحركة على المستوى العياني . ينص مبدأ حفظ الطاقة الميكانيكية على أنه إذا خضع نظام معزول أو نظام مغلق لقوى محافظة فقط ، فإن الطاقة الميكانيكية تظل ثابتة. ^{[ 1 ]} إذا تحرك جسم في الاتجاه المعاكس لقوة محصلة محافظة، فإن طاقة الوضع ستزداد؛ وإذا تغيرت سرعة الجسم (وليس سرعته المتجهة )، فإن طاقته الحركية ستتغير أيضًا. مع ذلك، في جميع الأنظمة الحقيقية، توجد قوى غير محافظة ، مثل قوى الاحتكاك ، ولكن إذا كانت هذه القوى ضئيلة ، فإن الطاقة الميكانيكية تتغير قليلًا، ويُعد مبدأ حفظها تقريبًا مفيدًا. في التصادمات المرنة ، تبقى الطاقة الحركية محفوظة، أما في التصادمات غير المرنة، فقد يتحول جزء من الطاقة الميكانيكية إلى طاقة حرارية . وقد اكتشف جيمس بريسكوت جول التكافؤ بين الطاقة الميكانيكية المفقودة وارتفاع درجة الحرارة .

تُستخدم العديد من الأجهزة لتحويل الطاقة الميكانيكية إلى أشكال أخرى من الطاقة أو العكس ، على سبيل المثال، يقوم المحرك الكهربائي بتحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية، ويقوم المولد الكهربائي بتحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية ، ويقوم المحرك الحراري بتحويل الحرارة إلى طاقة ميكانيكية.

الطاقة كمية قياسية ، والطاقة الميكانيكية للنظام هي مجموع طاقة الوضع (التي يتم قياسها من خلال موضع أجزاء النظام) والطاقة الحركية (التي تسمى أيضًا طاقة الحركة): ^{[ 2 ] [ 3 ]}

$${\displaystyle E_{\text{mechanical}}=U+K}$$

تعتمد طاقة الوضع، U ، على موضع الجسم الخاضع للجاذبية أو أي قوة محافظة أخرى . وتساوي طاقة الوضع التثاقلية للجسم وزن الجسم W مضروبًا في ارتفاع مركز ثقل الجسم h بالنسبة إلى مرجع اختياري.

$${\displaystyle U=Wh}$$

الطاقة الكامنة هي الطاقة المخزنة في جسم ما نتيجةً لموقعه بالنسبة لحقل قوة محافظة، مثل الجاذبية أو الزنبرك. وتزداد هذه الطاقة عند بذل شغل ضد القوة، أي عند تحريك الجسم في الاتجاه المعاكس لاتجاه القوة. ^{[ ملاحظة 1 ] [ملاحظة 2 ]} إذا كانت F تمثل القوة المحافظة و x _{تمثل الموضع،} ^فإن الطاقة الكامنة للقوة بين الموضعين x1 و x2 تُعرَّف بأنها التكامل السالب ^لـ F من x1 إلى x2 _: [ _ملاحظة ⁵ _]

$${\displaystyle U=-\int _{x_{1}}^{x_{2}}{\vec {F}}\cdot d{\vec {x}}}$$

تعتمد الطاقة الحركية، K ، على سرعة الجسم، وهي قدرة الجسم المتحرك على بذل شغل على أجسام أخرى عند اصطدامه بها. ^{[ ملاحظة 2 ] [ 9 ]} تُعرَّف بأنها نصف حاصل ضرب كتلة الجسم في مربع سرعته، والطاقة الحركية الكلية لنظام من الأجسام هي مجموع الطاقات الحركية للأجسام المكونة له: ^{[ 2 ] [ 10 ]}

$${\displaystyle K={1 \over 2}mv^{2}}$$

ينص مبدأ حفظ الطاقة الميكانيكية على أنه إذا تعرض جسم أو نظام لقوى محافظة فقط ، فإن طاقته الميكانيكية تظل ثابتة. ^{[ 11 ]} ويكمن الفرق بين القوة المحافظة والقوة غير المحافظة في أن الشغل المبذول بواسطة القوة المحافظة عندما تحرك جسمًا من نقطة إلى أخرى لا يعتمد على المسار. في المقابل، عندما تؤثر قوة غير محافظة على جسم، فإن الشغل المبذول بواسطة القوة غير المحافظة يعتمد على المسار. ^{[ 12 ] [ 13 ]}

وفقًا لمبدأ حفظ الطاقة الميكانيكية، تظل الطاقة الميكانيكية لنظام معزول ثابتة مع مرور الوقت، طالما كان النظام خاليًا من الاحتكاك والقوى غير المحافظة الأخرى. في أي حالة واقعية، توجد قوى الاحتكاك وغيرها من القوى غير المحافظة، ولكن في كثير من الحالات يكون تأثيرها على النظام ضئيلاً لدرجة تسمح باستخدام مبدأ حفظ الطاقة الميكانيكية كتقريب مناسب . مع أن الطاقة لا تُستحدث ولا تُفنى، إلا أنه يمكن تحويلها إلى شكل آخر من أشكال الطاقة. ^{[ 2 ] [ 14 ]}

البندول المتأرجح

في نظام ميكانيكي كالبندول المتأرجح الخاضع لقوة الجاذبية المحافظة ، حيث تكون قوى الاحتكاك كمقاومة الهواء والاحتكاك عند نقطة الارتكاز ضئيلة، تنتقل الطاقة ذهابًا وإيابًا بين الطاقة الحركية والطاقة الكامنة دون أن تغادر النظام. يصل البندول إلى أقصى طاقة حركية وأقل طاقة كامنة عندما يكون في الوضع الرأسي، لأنه يكون في أقصى سرعة وأقرب ما يكون إلى الأرض عند هذه النقطة. في المقابل، تكون طاقته الحركية أقل ما يمكن وطاقته الكامنة أعلى ما يمكن عند أقصى نقاط تأرجحه، لأنه يكون في أقصى سرعة وأبعد ما يكون عن الأرض عند هذه النقاط. مع ذلك، عند أخذ قوى الاحتكاك في الحسبان، يفقد النظام طاقة ميكانيكية مع كل تأرجح بسبب الشغل السالب المبذول على البندول بفعل هذه القوى غير المحافظة. ^{[ 3 ]}

القمر الصناعي

قمر صناعي ذو كتلة${\displaystyle m}$عن بعد${\displaystyle r}$يمتلك الجسم القادم من مركز الأرض طاقة حركية،${\displaystyle K}$، (بفضل حركتها) وطاقة الوضع التثاقلية،${\displaystyle U}$(بحكم موقعها داخل مجال جاذبية الأرض؛ كتلة الأرض هي${\displaystyle M}$وبالتالي، الطاقة الميكانيكية${\displaystyle E_{\text{mechanical}}}$يُعطى نظام القمر الصناعي-الأرض بواسطة $${\displaystyle E_{\text{mechanical}}=U+K}$$$${\displaystyle E_{\text{mechanical}}=-G{\frac {Mm}{r}}\ +{\frac {1}{2}}\,mv^{2}}$$

إذا كان القمر الصناعي في مدار دائري، فيمكن تبسيط معادلة حفظ الطاقة إلى $${\displaystyle E_{\text{mechanical}}=-G{\frac {Mm}{2r}}}$$ بما أن الحركة دائرية، يمكن اعتبار قانون نيوتن الثاني للحركة كما يلي: $${\displaystyle G{\frac {Mm}{r^{2}}}\ ={\frac {mv^{2}}{r}}}$$

اليوم، تقوم العديد من الأجهزة التكنولوجية بتحويل الطاقة الميكانيكية إلى أشكال أخرى من الطاقة أو العكس. ويمكن تصنيف هذه الأجهزة ضمن الفئات التالية:

• يحوّل المحرك الكهربائي الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية. ^{[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]}
• يقوم المولد بتحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية. ^{[ 20 ]}
• تقوم محطة توليد الطاقة الكهرومائية بتحويل الطاقة الميكانيكية للمياه في سد التخزين إلى طاقة كهربائية. ^{[ 21 ]}
• محرك الاحتراق الداخلي هو محرك حراري يحصل على الطاقة الميكانيكية من الطاقة الكيميائية عن طريق حرق الوقود . ومن هذه الطاقة الميكانيكية، غالباً ما يولد محرك الاحتراق الداخلي الكهرباء. ^{[ 22 ]}
• تقوم محركات البخار بتحويل الطاقة الداخلية للبخار إلى طاقة ميكانيكية. ^{[ 23 ]}
• تقوم التوربينة بتحويل الطاقة الحركية لتيار من الغاز أو السائل إلى طاقة ميكانيكية. ^{[ 24 ]}

غالباً ما يتبع تصنيف الطاقة إلى أنواع مختلفة حدود مجالات الدراسة في العلوم الطبيعية.

• الطاقة الكيميائية هي نوع من الطاقة الكامنة "المخزنة" في الروابط الكيميائية ، ويتم دراستها في الكيمياء . ^{[ 25 ]}
• الطاقة النووية هي الطاقة المخزنة في التفاعلات بين الجسيمات في نواة الذرة ، ويتم دراستها في الفيزياء النووية . ^{[ 26 ]}
• تتخذ الطاقة الكهرومغناطيسية شكل شحنات كهربائية ومجالات مغناطيسية وفوتونات . ويتم دراستها في علم الكهرومغناطيسية . ^{[ 27 ] [ 28 ]}
• أشكال الطاقة المختلفة في ميكانيكا الكم ؛ على سبيل المثال، مستويات طاقة الإلكترونات في الذرة. ^{[ 29 ] [ 30 ]}

ملحوظات

الاقتباسات

فهرس

• برودي، ديفيد؛ براون، ويندي؛ هيسلوب، نايجل؛ أيريسون، غرين؛ ويليامز، بيتر (1998). تيري باركين (محرر). الفيزياء . أديسون ويسلي لونغمان المحدودة. ISBN 978-0-582-28736-5.
• جاين، ماهيش سي. (2009). كتاب في الفيزياء الهندسية، الجزء الأول . نيودلهي: دار نشر PHI Learning Pvt. Ltd. رقم ISBN 978-81-203-3862-3تم الاطلاع عليه بتاريخ 25-08-2011 .
• نيوتن، إسحاق (1999). إ. برنارد كوهين؛ آن ميلر ويتمان (محرران). المبادئ: المبادئ الرياضية للفلسفة الطبيعية . الولايات المتحدة الأمريكية: مطبعة جامعة كاليفورنيا. ISBN 978-0-520-08816-0.