يتم حفظ الطاقة الميكانيكية: لماذا ومتى وحقائق مفصلة وأسئلة وأجوبة


الطاقة الميكانيكية هي تلك الطاقة التي تدخل حيز التنفيذ عندما يكون الجسم في حالة حركة أو بسبب موقعه. دعنا نعرف ما هي الطاقة الميكانيكية المحفوظة. 

يتم الحفاظ على الطاقة الميكانيكية طالما يتم تجاهل المقاومة التي تقدمها البيئة المحيطة. وهي من نوعين: الطاقة الحركية (بسبب الحركة) والطاقة الكامنة (بسبب الموضع). الطاقة الميكانيكية هو في الأساس مجموع هذين النوعين من القوى. 

لنفترض أن سيارة ما في حالة حركة ، فإن الطاقة التي تمتلكها ستكون طاقة حركية تساوي 1/2 مللي فولت2. وبالمثل ، إذا تم وضع الكرة على طاولة ورفعناها إلى حد ما ، فإن الطاقة الموجودة فيها ستكون طاقة وضع ، mgh ، بسبب إزاحتها.

نحن نعلم الآن أن الطاقة الميكانيكية للنظام تظل ثابتة طوال الرحلة إذا أهملنا عوامل أخرى مثل مقاومة الهواء ، والاحتكاك ، وما إلى ذلك ، على سبيل المثال ، إذا كان الصبي يقف على شرفة ويحمل كرة في يده. الآن في الموضع العلوي ، الطاقة الكامنة هي القصوى ، وبما أن السرعة تساوي صفرًا ، فإن طاقة الوضع هي القصوى الطاقة الحركية سيكون صفرا. إذا أسقط الولد الكرة ، فسوف تتحرك ؛ أي أن طاقتها الحركية ستزداد وستنخفض الطاقة الكامنة. وهكذا من خلال هذا المثال ، نتعرف على ما إذا كانت الطاقة الميكانيكية محفوظة أم لا. 

يتم حفظ الطاقة الميكانيكية
الصورة الائتمان: ويكيبيديا

متى يتم حفظ الطاقة الميكانيكية؟

تظل الطاقة الميكانيكية محفوظة عندما فقط القوى الداخلية تعمل على الجسم ولا توجد قوى خارجية تعمل. هذا يعني أن الحركية والإمكانات قد تتغير طوال الرحلة. لكن مجموعهم ثابت في كل نقطة. 

القوى متحفظة ، أي أنها لا تعتمد على مسار الجسم المتحرك وتعتمد فقط على موضع البداية والنهاية. على سبيل المثال ، الجاذبية القوة محافظة في الطبيعة ، في حين أن المقاومة التي يقدمها الهواء غير متحفظة في طبيعتها لأنها تعتمد على المسار. 

من قانون حفظ الطاقة الميكانيكية لدينا: 

ME = KE + PE 

ME هي الطاقة الميكانيكية ، KE هي الطاقة الحركية، و PE هي الطاقة الكامنة.

لدينا؛

ME = 1/2 mv2+ mgh = ثابت 

Kf + فf = كi + فi

أي أن مجموع الطاقة الحركية النهائية والطاقة الكامنة يساوي مجموع الطاقة الحركية الأولية والطاقة الكامنة.

يمكننا فهمها بالتفصيل بمساعدة مثال. في ركوب الأفعوانية ، يتم حفظ البقايا الميكانيكية في الرحلة الكاملة. عندما تبدأ الأفعوانية ، فإنها تصل إلى الطاقة الحركية بسبب الحركة. ثم تبدأ الطاقة الحركية في التحول إلى طاقة كامنة ، والتي تصبح القصوى في الجزء العلوي من الموضع. عند التحرك أكثر ، تبدأ الطاقة الكامنة في التحول إلى طاقة حركية. عند النقطة الموجودة فوق سطح الأرض مباشرة ، تصبح الطاقة الحركية القصوى والطاقة الكامنة هي الحد الأدنى. 

لماذا يتم حفظ الطاقة الميكانيكية؟

"ينص قانون الحفاظ على الطاقة على أن الطاقة لا يمكن إنشاؤها أو تدميرها". وبالتالي ، فإن أنواع الطاقة المختلفة ممكنة بسبب تحويلها من شكل إلى آخر. وفقًا لهذا القانون ، تظل الطاقة الميكانيكية محفوظة. 

إذا أخذنا القوى على أنها متحفظة ، فإن الطاقة الحركية تتحول تمامًا إلى طاقة كامنة. ولكن إذا كانت بعض القوى الخارجية تعمل على الجسم ، فإن بعض الطاقة يتم تبديدها للتغلب على ذلك. في هذه الحالة ، لن يتم حفظ الطاقة بالكامل. 

لماذا لا يتم الحفاظ على الطاقة الميكانيكية دائما؟

ليس من الضروري أن تظل الطاقة الميكانيكية محفوظة. يبقى فقط عندما يتم الحفاظ على القوى التي تعمل على الأشياء ، ولا توجد قوة خارجية في العمل. في حالة دخول القوى الخارجية حيز التنفيذ ، تصبح الطاقة الميكانيكية غير متحفظة  

القوى مثل الاحتكاك ومقاومة الهواء واللزوجة تعارض حركة أي جسم. وبالتالي للتغلب عليها ، يتم إجراء بعض الأعمال ، مما يؤدي إلى تحويل نسبة معينة من الطاقة الميكانيكية إلى طاقة حرارية. على سبيل المثال ، إذا دحرجت الكرة على الأرض ، فإنها تتوقف بعد مرور بعض الوقت بسبب الاحتكاك. 

في هذه الحالة ، مجموع الميكانيكية تصبح الطاقة مساوية للحركية + المحتملة + الحرارية الطاقة.  

هل يتم حفظ الطاقة الميكانيكية في السقوط الحر؟ 

السقوط الحر يعني أن الأجسام تقع بحرية تحت تأثير الجاذبية. في حالة السقوط الحر ، تظل الطاقة الميكانيكية للجسم محفوظة. يظل معدل السرعة ثابتًا طوال الخريف حتى يصل إلى الأرض. 

بمثال ، دعونا نرى كيف يتم الحفاظ على الطاقة. في الشكل أعلاه ، لدينا جسم على ارتفاع h يسقط بحرية. الآن دعونا نرى الطاقة الميكانيكية في ثلاث نقاط مختلفة A و B و C. 

عند النقطة أ ، لدينا ؛

PE = mgh 

KE = 0 مثل v = 0

ME = PE + KE

أنا = mgh + 0

لي = mgh

بعد السفر عبر مسافة "س" ، يأتي الجسم عند النقطة ب. 

PE = mg (hx) = mgh - mgx

الآن ، بالنسبة للطاقة الحركية ، لدينا u = 0 و s = x و a = g

لذلك ، بالتعويض في معادلة نيوتن الثالثة للحركة ، لدينا:

2as = v2 - ش2

2gx = v2 - 02

2gx = v2

لذلك ، KE = 1/2 mv2

KE = 1/2 م 2 جم = ملغ ×

الآن ، ME = KE + PE

ME = mgx + mgh - mgx

لي = mgh 

الآن عند النقطة C فوق سطح الأرض بقليل ، لدينا ؛

PE = 0 ؛ منذ ح = 0 

مرة أخرى باستخدام المعادلة الثالثة للحركة لدينا: 

2as = v2 - ش2

2gh = v2 - 02

v2 = 2gh

لذلك تصبح الطاقة الحركية:

KE = 1/2 مللي فولت2

KE = 1/2 م 2 جم

KE = mgh 

وبالتالي:

ME = KE + PE 

أنا = mgh + 0 

أنا = 0 

بالنظر إلى المثال أعلاه ، أصبح من الواضح أنه في جميع النقاط الثلاث A و B و C ، لدينا طاقة ميكانيكية كلية تساوي mgh. هذا هو أنه يظل محفوظًا طوال الرحلة. من المفهوم الآن كيف يتم الحفاظ على الطاقة الميكانيكية.

هل يتم حفظ الطاقة الميكانيكية في مواقف حقيقية؟

تظل الطاقة الميكانيكية محفوظة إلى حد كبير. ومع ذلك ، هناك دائمًا نوع من القوة الخارجية التي تؤثر على الجسم. لذلك إذا كانت موجودة بكميات منخفضة جدًا ، فسيتم الحفاظ على الطاقة. 

خذ مثال القوس والسهم. عندما يمتد السهم ، فإنه يصل إلى الطاقة الكامنة. عند تحرير السهم ، يتم تحويل الطاقة الكامنة المخزنة إلى طاقة حركية. وبالتالي ، فإن إجمالي الطاقة الميكانيكية لنظام القوس والسهم يكون مجموع الطاقة الحركية والطاقة الكامنة. الآن ، إذا كانت هناك مقاومة للهواء ، فسيتم فقد بعض الطاقة الحركية للسهم كطاقة حرارية وبالتالي تقليل الطاقة الميكانيكية النهائية. 

يتمتع نظام Earth-Moon بالطاقة الميكانيكية المحفوظة دائمًا. نظرًا لموقع القمر بالنسبة للأرض ، فإنه يكتسب طاقة كامنة. وعندما يدور القمر حول الأرض ، فهو في حالة حركة ، وبالتالي تتحول الطاقة الكامنة إلى طاقة حركية. وهكذا يتم تحويل الطاقة من شكل إلى آخر. 

السيارة تتحرك على طريق وتعاني من الاحتكاك. يحول الاحتكاك الآن بعض نسبة الطاقة الميكانيكية إلى احتكاك. إنه مثال لا يتم فيه حفظ الطاقة الميكانيكية. 

كيف يتم حفظ الطاقة الميكانيكية على أساس النشاط؟ 

دعونا نثبت كيف يتم حفظ الطاقة الميكانيكية باستخدام البندول. الشكل أعلاه يوضح لنا البندول. يتحرك بشكل دوري من الموضع O إلى A ، ثم مرة أخرى إلى O ثم إلى B ، وأخيراً إلى O مرة أخرى. 

دعونا نرى الطاقة الميكانيكية للبندول في ثلاثة مواضع مختلفة مثل A و B و O. في هذه الحالة ؛ نحن نهمل الاحتكاك بين الهواء وبوب البندول البسيط. كتلة البوب ​​هي "م". 

خذ البندول إلى الموضع A ثم أسقطه. يبدأ البندول في التذبذب. في الموضع A يكون bob على ارتفاع "h" وتصبح السرعة 0 ؛ لذلك لدينا: 

PE = mgh

KE = 0

إجمالي الطاقة الميكانيكية = 0 + mgh = mgh

الآن عندما يتحرك البوب ​​من الموضع A إلى O ، يبدأ الارتفاع h في التناقص ويصبح 0 عند النقطة O. نظرًا لأن البوب ​​لديه بعض الحركة ، تبدأ سرعته في الزيادة ، وبالتالي تتغير طاقته الكامنة إلى طاقة حركية. الآن عند النقطة O ، لدينا:

PE = 0 ، مثل h = 0

KE = mgh 

إجمالي الطاقة الميكانيكية = mgh + 0 = mgh

من الموضع O ، يبدأ البندول في التحرك نحو النقطة B. عند الانتقال من B إلى O ، يبدأ الارتفاع في الزيادة ويصبح الحد الأقصى عند B ، أي h. الآن تبدأ السرعة في الانخفاض وتصبح 0. لذلك في الموضع B ، لدينا:

PE = mgh

KE = 0

إجمالي الطاقة الميكانيكية = 0 + mgh = mgh

في كل نقطة ، لدينا إجمالي ثابت للطاقة الميكانيكية. لذلك من هذا ، نحصل على أن الطاقة الميكانيكية تبقى محفوظة في نظام البندول. 

كيف يمكنك إثبات أن الطاقة الميكانيكية محفوظة؟

دعونا نثبت أن الطاقة الميكانيكية محفوظة. خذ كرة لتقول إنها 200 جرام ؛ ارفعه الآن إلى ارتفاع 100 سم. الآن الطاقة الكامنة: 

PE = mgh 

PE = 200/1000 كجم * 9.8 * (100/100)

PE = 1.96 جول

نظرًا لأن السرعة تساوي 0 ، فإن الطاقة الحركية ستكون أيضًا 0. 

ولذلك، 

إجمالي الطاقة الميكانيكية = PE + KE

ME = 1.96 + 0

أنا = 1.96 جول

الآن حرر الكرة واستخدم معادلة الحركة الثالثة احسب سرعة الكرة. 

2as = v2 - ش2

2 * 9.8 = v2

الإصدار 2 = 19.6

KE = 1/2 م v2 + mgh

KE = 1/2 * {200/1000} 19.6

KE = 1.96 جول 

عندما تصطدم الكرة بالأرض ، ستصبح إمكاناتها 0. 

الطاقة الميكانيكية = PE + KE

الطاقة الميكانيكية = 0 + 1.96 

م E = 1.96 جول 

يمكن أن يكون هناك اختلافات قليلة بسبب مقاومة الهواء. في المثال أعلاه ، تجاهلنا مقاومة الهواء ؛ هذا هو السبب في أن الطاقة الميكانيكية متساوية تمامًا. لذلك ، نحن نعرف الآن كيف ومتى ولماذا يتم حفظ الطاقة الميكانيكية. 

أسئلة يتكرّر طرحها

ما هو قانون حفظ الطاقة؟

وفقًا لقانون حفظ الطاقة ، نعلم أن الطاقة لا يمكن أن تتشكل أو تدمر من تلقاء نفسها. إنه يغير الشكل فقط. 

هل الطاقة الميكانيكية تبقى دائما محفوظة؟

يُقال إن شكل الطاقة الناتج عن موضع أو حركة جسم ما هو طاقة ميكانيكية. 

تظل الطاقة الميكانيكية محفوظة طوال الرحلة فقط عندما تعمل القوى الداخلية عليها. إذا أثرت أي قوة غير محافظة على الجسم ، فلن يتم حفظ الطاقة الميكانيكية. 

متى لا يتم حفظ الطاقة الميكانيكية؟

 لا يتم حفظ الطاقة الميكانيكية عندما نأخذ في الاعتبار الاحتكاك أو مقاومة الهواء. عندما تكون القوى غير متحفظة ، فإن بعض الطاقة الميكانيكية تتبدد كطاقة حرارية. 

ربيعة خالد

مرحباً ، أنا ربيعة خالد ، أتابع حاليًا درجة الماجستير في الرياضيات. كتابة المقالات هي شغفي وأنا أكتب بشكل احترافي منذ أكثر من عام حتى الآن. كوني طالب علوم ، لدي موهبة في القراءة والكتابة عن العلوم وكل ما يتعلق بها. إذا أعجبك ما أكتبه ، يمكنك التواصل معي على LinkedIn: https://www.linkedin.com/mwlite/in/rabiya-khalid-bba02921a في وقت فراغي ، أطلِق جانبي الإبداعي على لوحة الرسم. يمكنك التحقق من لوحاتي على: https://www.instagram.com/chronicles_studio/

آخر المقالات