معظمنا يعرف مصطلح الطاقة الحركية. ومع ذلك، إذا لم يكن لديك فهم قوي لها، فأنت لست وحدك. بينما ينتقل العالم من حولنا إلى عقلية معيشية أكثر استدامة.
قد نجد أنفسنا نتساءل، ما هي الطاقة الحركية؟ هل يمكننا تسخيرها لتوليد طاقة نظيفة؟
ستغطي هذه المقالة كل ما تحتاج لمعرفته حولها. من تعريفها وخصائصها إلى الأمثلة وكيف نستخدمها في الكيمياء، وستجدها موضحة في كلا المصطلحات التقنية والمبسطة.
ما هي الطاقة الحركية؟
ستحتاج في البداية إلى معرفة معنى الحركة. يتم تعريف الحركة بأنها ” تتعلق بحركة الأجسام المادية والقوى والطاقة المرتبطة بها.” هذا يبدو معقدًا بعض الشيء، فلنلخص الأمر.الطاقة الحركية هي الطاقة الناتجة عن انتقال الأشياء من مكان لآخر.
شرح الطاقة الحركية بعبارات بسيطة.
لا يوجد سوى نوعين أساسيين من الطاقة. الطاقة الحركية (KE) هي واحدة منها. أي جسم (يُعرف أيضًا بالكتلة) يتحرك يُقال إنه يحتوي على هذه الطاقة. للحصول على حركة لجسم ما، يجب أن نطبق عليه قوة معينة.
في هذه الحالة، يعتبر الشغل قوة تؤثر على جسم في نفس اتجاه الحركة. يعتمد مقدار الشغل المطلوب على كتلة الجسم والمسافة التي نرغب في قطعها. على سبيل المثال، فكر في دفع طفلك لأسفل تلة بالمزلقة. هنا، الشغل هو دفع طفلك الذي يتزلج الآن أسفل التل.
تسمى هذه العلاقة بين الشغل والطاقة الحركية نظرية الشغل والطاقة. ترتبط هذه النظرية بقانون نيوتن الثاني، الذي ينص على أن “تسارع الجسم يرتبط ارتباطًا مباشرًا بالقوة الصافية ويرتبط عالميًا بكتلته”.
لذلك، فإن تسريع جسم ما، أي زيادة طاقته الحركية، يرتبط ارتباطًا مباشرًا بشيئين: القوة (التي تمنحه السرعة) والكتلة. ببساطة، كلما زادت كتلة الجسم وسرعته، زادت طاقته الحركية.
في هذه المرحلة، ربما تسأل، ألا يوجد نوعان من الطاقة؟ نعم هناك. الثانية تسمى الطاقة الكامنة. لتذكر هذا بسهولة، فكر في الطاقة الحركية والكامنة على أنها متناقضة.
في حين أن هذه الطاقة هي طاقة الحركة، يتم تخزين الطاقة الكامنة، مما يعني أن لديها القدرة على الحركة ولكنها في حالة راحة حاليًا.
من الأمثلة الرائعة على الطاقة الحركية والكامنة هي القوس والسهم. عند التراجع، يكون للقوس طاقة كامنة. عند إطلاقها، تنتقل الطاقة الكامنة إلى السهم، مما يمنحه طاقة حركية. لكن الآن سنواصل تركيزنا على طاقة الحركة.
أمثلة على الطاقة الحركية.
دعونا نلقي نظرة على بعض الأمثلة الأساسية للكائنات مع الطاقة الحركية قبل أن نكمل.
- سيارة تسير على الطريق.
- طائرة في رحلة.
- نهر متدفق.
- ركوب الدراجة.
- الرياح.
يجب أن تمنحك هذه الأمثلة للكائنات باستخدام طاقة الحركة مرجعًا مرئيًا لتبسيط المفهوم. تتميز الطائرة أثناء الطيران بسرعة عالية وكتلة كبيرة تمنحها الكثير من طاقة الحركية.
في المقابل، تحتوي الحشرة الطائرة على كمية صغيرة نسبيًا من الطاقة الحركية نظرًا لسرعتها البطيئة وكتلتها الأصغر.
إقرأ أيضاً… ما هي فروع الفيزياء؟
ما هي خصائص الطاقة الحركية؟
تنتج حركة الجسم، الذي يشار إليه أحيانًا باسم الجسم، طاقة حركية. تمكننا من إحداث تغييرات تتعلق بالسرعة. فيما يلي بعض الخصائص الرئيسية لها:
- تزيد أو تنقص فقط عندما تتغير السرعة.
- تكون أكبر في الأجسام الثقيلة.
- يمكن أن تتحول إلى أنواع أخرى من الطاقة.
- ستحدث بغض النظر عن اتجاه تحرك الجسم المتحرك.
- وحدة قياسها هي جول (J).
سيحتفظ الجسم بنفس المقدار من الطاقة حتى يتباطأ أو يتسارع.
تزداد الطاقة الحركية مع السرعة. على سبيل المثال، سيارة تسير على الطريق وتمتلك طاقة حركية. عند ضبط مثبت السرعة، ستظل طاقتها الحركية كما هي. عندما تسرع السيارة، هناك زيادة في طاقة الجسم، ويعرف أيضًا باسم زيادة الطاقة الحركية.
تكون الطاقة الحركية لجسم ما أكبر عندما يكون للجسم كتلة أكبر.
على سبيل المثال، إذا كانت السيارة والشاحنة تسيران بالسرعة نفسها، فستكون للشاحنة طاقة حركية إجمالية لأنها تحتوي على كتلة أكبر من كتلة السيارة.
ما هي العوامل التي تؤثر على الطاقة الحركية؟
الجواب يكمن في ما قرأناه أعلاه: الكتلة والسرعة. عندما تتضاعف كتلة الجسم، تتضاعف طاقته الحركية. ومع ذلك، عندما تتضاعف سرعة جسم ما، تتضاعف طاقته الحركية أربع مرات.
على العكس من ذلك، عندما يصطدم جسم متحرك بجسم آخر، يتم نقل طاقته الحركية. هذا يجعل قاعدة الطاقة الحركية: = 1/2 م v^2، حيث م هي كتلة الجسم و v هي السرعة التي يحملها الجسم.
في أي وقت تعرف فيه كتلة الجسم المتحرك وسرعته، يمكنك معرفة مقدارها التي يمتلكها. سنعيد النظر في هذا لاحقًا للحصول على شرح أكثر شمولاً.
هل يمكن أن تتحول الطاقة الحركية إلى أشكال بديلة للطاقة؟
نعم، يمكن أن تتحول هذه الطاقة إلى أشكال بديلة من الطاقة، مثل الحرارة. تُعرف الحرارة أيضًا باسم الطاقة الحرارية. عندما تهتز ذرات وجزيئات مادة ما بشكل أسرع بسبب ارتفاع درجة الحرارة، نحصل على طاقة حرارية.
ما هي أنواع الطاقة الحركية؟
نحن نعلم أن الطاقة الحركية والكامنة هي الأنواع الرئيسية الثلاثة للطاقة. عندما نخطو خطوة أخرى إلى الأمام، نتعلم أن هناك ثلاثة أنواع رئيسية منها:
- انتقالية.
- دورانية.
- الطاقة الحركية الاهتزازية.
تعتمد الطاقة الحركية الانتقالية على الحركة عبر الفضاء.
مثال على ذلك هو كرة تتساقط من فوق سطح منزل. عندما تستمر الكرة في السقوط لأسفل، فإنها تمتلك طاقة انتقالية. تتناسب الطاقة هنا طرديًا مع كتلة الجسم (m) ومربع سرعته (v).
إذن، قاعدة الطاقة الانتقالية للجسم، كما ذكر أعلاه، هي نصف حاصل ضرب كتلة الجسم (1/2 م) ومربع سرعته (v2).
معادلة الطاقة المكتوبة بدقة، والمقدمة من الميكانيكا النيوتونية (الكلاسيكية) هي:
KE = 1 / 2mv^2
ومع ذلك، لم تعد هذه المعادلة صالحة عندما يتعلق الأمر بالأجسام التي تتحرك بسرعة الضوء. لماذا ا؟ لأنه عندما تتعامل مع جسيمات عالية السرعة للغاية، تصبح القيم صغيرة جدًا.
هنا، يجب أن نستخدم قوانين النسبية. الطاقة النسبية هي الزيادة في الكتلة عما لديها في حالة السكون، مضروبة في مربع سرعة الضوء.
تعتمد الطاقة الحركية الدورانية على الحركة المتمركزة على محور.
سنستخدم نفس الكرة من وقت سابق كمثال، ولكن هذه المرة، تتدحرج الكرة على منحدر بدلاً من السقوط الحر. الآن، لديها طاقة دورانية.
مع الجسم الدوار، ستعتمد الطاقة على السرعة الزاوية للجسم بالراديان في الثانية ولحظة القصور الذاتي للجسم. السرعة الزاوية هي سرعة الدوران. لحظة القصور الذاتي هي مدى سهولة تغيير دوران الجسم.
ما هو حفظ الطاقة الحركية في الفيزياء؟
ينص قانون حفظ الطاقة على أنه لا يمكن إنشاء أو تدمير الطاقة؛ انها مجرد تغيير الشكل. الآن، نحن نعلم أن بعض القوى الخارجية، مثل الاحتكاك والجاذبية، ستبطئ الجسم بمرور الوقت، ويبدو أنها تستهلك طاقته.
ومع ذلك، فإن هذه الطاقة التي يُعتقد أنها فُقدت هي في الواقع تظهر مرة أخرى في شكل آخر وهي، في الواقع، محفوظة دائمًا. عندما يبطئ الاحتكاك شيئًا ما، تتحول طاقته إلى حرارة أو طاقة حرارية.
في هذا الشكل العام، يرتبط حفظ الطاقة بالقانون الأول للديناميكا الحرارية، حيث تنتقل الطاقة من مكان إلى آخر ومن حالة إلى أخرى.
ما هي أشكال الطاقة الحركية؟
نحن نعرف أنواع الطاقة الحركية وكيف نستخدمها في العلم. دعونا نجعلها أكثر ارتباطًا الآن من خلال مناقشة الأشكال الخمسة المختلفة لهذه الطاقة وكيف نستخدمها في حياتنا اليومية، وخاصة في المنزل.
1. الطاقة الميكانيكية.
الطاقة الميكانيكية هي الطاقة التي يمكننا رؤيتها. كلما تحرك الجسم بشكل أسرع وزادت كتلته، زادت الطاقة الميكانيكية التي يمتلكها وزادت قدرته على القيام بالعمل.
أحد الأمثلة على ذلك هو عندما تضرب كرة البولينج دبوسًا. ولكن الأكثر تأثيرًا هو أن طاحونة الهواء يمكنها تسخير طاقة الرياح، ويمكن للسد الكهرومائي أن يولد الكهرباء من مصدر المياه المتدفقة.
2. الطاقة الكهربائية.
تعرف الطاقة الكهربائية بالكهرباء. نحصل على الكهرباء عندما تتدفق الإلكترونات سالبة الشحنة حول الدائرة. تعمل حركة هذه الإلكترونات أو الكهرباء على تشغيل أجهزتنا اليومية، مثل مصباح مكتبي أو هاتف محمول.
3. الطاقة الضوئية.
تشير الطاقة الضوئية، وهي شكل من أشكال الإشعاع الكهرومغناطيسي، إلى الطاقة التي تنتقل بواسطة الجسيمات أو الأمواج.
إنها الشكل الوحيد للطاقة الذي يمكن رؤيته بالعين المجردة. من الأمثلة الواضحة على الطاقة المشعة الحرارة التي نحصل عليها من الشمس. ومن الأمثلة الأخرى المصابيح الكهربائية والأشعة السينية.
4. الطاقة الحرارية.
مثل الطاقة المشعة، يمكننا تجربة الطاقة الحرارية على شكل حرارة. ومع ذلك، فإن الطاقة الحرارية لها علاقة بمستوى نشاط الذرة والجزيء في الجسم. كلما تحركوا بشكل أسرع، كلما اصطدموا ببعضهم البعض.
بعض الأمثلة الرائعة للطاقة الحرارية هي الطبخ في فرنك أو تشغيل محرك سيارتك. مثال آخر يحتوي على الطاقة الحرارية في اسمه: الطاقة الحرارية الأرضية هي مورد متجدد نستخدمه لتوليد الكهرباء لمنازلنا.
5. الطاقة الصوتية.
تولد الطاقة الصوتية من خلال الاهتزازات. ينتج الجسم موجات من الحركة عبر وسط، مثل الماء أو الهواء. بمجرد وصولها إلى طبلة الأذن، فإنها تهتز، مما يدفع عقولنا لتفسير الاهتزاز على أنه صوت. كل شيء من الطبول إلى أصغر نحلة تصدر اهتزازات، والتي بدورها تسبب الصوت.
إقرأ أيضاً… ما هي أشكال الطاقة؟ مع أمثلة عليها.
ما هي طرق تسخيرها؟ ما هي المشاكل التي نواجهها؟
يقوم حصاد الطاقة، بتجميع وتخزين الطاقة المهدرة لتحويلها إلى طاقة كهربائية. في وقت لاحق يتم استخدام هذه الطاقة لتشغيل الإلكترونيات الصغيرة.
تشمل المصادر مصادر الطاقة المتجددة مثل الشمس والرياح والمياه والحرارة الجوفية. ومع ذلك، فإننا نستخدم أيضًا مصادر اصطناعية تم إنشاؤها بواسطة البشر، مثل المشي وحركة المركبات واهتزاز النظام.
لقد ثبت أن حصادها من هذه المصادر يمثل تحديًا. الهياكل المادية ضرورية لالتقاط الطاقة. هناك حاجة أيضًا إلى محول كهروميكانيكي لتحويل الطاقة إلى كهرباء.
لقد كان من الصعب العثور على المواد المناسبة التي تناسب احتياجات التطبيقات الكبيرة والصغيرة الحجم على حدٍ سواء. يجب أن تظل التكلفة العامة منخفضة، ويجب أن تكون الأجهزة المستخدمة موفرة للطاقة.
في كثير من الأحيان، يجب أن تكون الأجهزة خفيفة الوزن وقابلة للحمل أيضًا. يعتقد الخبراء أن الإجابة على تحويل الطاقة المحسن يكمن في العثور على مواد جديدة.
لقد بدأنا بداية جيدة بمواد كهروضوئية منخفضة التكلفة تستغل الطاقة الشمسية وشفرات التوربينات المركبة منخفضة التكلفة المحسنة حديثًا لتسخير الرياح.
