ما هي الطاقة الكامنة؟

يمكن لجسم أن يخزن الطاقة نتيجة لموقعه، على سبيل المثال، تقوم الكرة الثقيلة لآلة الهدم بتخزين الطاقة عندما يتم وضعها في موضع مرتفع، يشار إلى طاقة الموضع المخزنة هذه باسم الطاقة الكامنة.

بالمثل، فإن القوس المسحوب قادر على تخزين الطاقة نتيجة لموقعه. عندما يتخذ القوس وضعه المعتاد (أي عندما لا يكون مسحوباً)، لا توجد طاقة مخزنة في القوس.

مع ذلك، عندما يتغير موضعه عن موضع التوازن المعتاد، يكون القوس قادرًا على تخزين الطاقة بحكم موضعه. يشار إلى طاقة الموضع المخزنة هذه باسم الطاقة الكامنة. الطاقة الكامنة هي الطاقة المخزنة في الموضع الذي يمتلكه الجسم.

طاقة الجاذبية الكامنة.

يوضح المثالان أعلاه شكلي الطاقة الكامنة التي سيتم مناقشتها في هذه المقالة – طاقة الجاذبية الكامنة وطاقة الوضع المرنة.

طاقة الجاذبية الكامنة هي الطاقة المخزنة في جسم ما نتيجة لوضعه الرأسي أو ارتفاعه. يتم تخزين الطاقة نتيجة لجاذبية الأرض للجسم. تعتمد طاقة الجاذبية المحتملة للكرة الضخمة لآلة الهدم على متغيرين – كتلة الكرة والارتفاع الذي ترتفع إليه.

هناك علاقة مباشرة بين طاقة الجاذبية الكامنة وكتلة الجسم. تمتلك الأجسام الأكبر حجمًا طاقة وضع جاذبية أكبر. هناك أيضًا علاقة مباشرة بين طاقة الجاذبية الكامنة وارتفاع الجسم. كلما زاد ارتفاع الجسم، زادت طاقة الجاذبية الكامنة.

ويتم التعبير عن هذه العلاقات بالمعادلة التالية:

ط ك للجاذبية = الكتلة • ح • الارتفاع

في المعادلة أعلاه، تمثل:

ح: شدة مجال الجاذبية (9.8 نيوتن/كجم على الأرض) – والتي يشار إليها أحيانًا بتسارع الجاذبية.

لتحديد طاقة الجاذبية الكامنة لجسم ما، يجب أولاً تعيين موضع ارتفاع صفر بشكل تعسفي. عادة، تعتبر الأرض موضع ارتفاع صفر. لكن هذا مجرد منصب تم تعيينه بشكل تعسفي ويتفق عليه معظم الناس.

نظرًا لأن العديد من مختبراتنا تتم على أجهزة الكمبيوتر اللوحية، فمن المعتاد غالبًا تعيين سطح الطاولة ليكون موضع الارتفاع الصفري.

إذا كان سطح الطاولة في وضع الصفر، فإن الطاقة الكامنة لجسم ما تعتمد على ارتفاعه بالنسبة لسطح الطاولة. على سبيل المثال، يمتلك البندول الذي يتأرجح من وإلى أعلى سطح الطاولة طاقة كامنة يمكن قياسها بناءً على ارتفاعه فوق سطح الطاولة.

من خلال قياس كتلة البندول وارتفاعه فوق سطح الطاولة، يمكن تحديد الطاقة الكامنة للبندول.

بما أن طاقة وضع الجاذبية لجسم ما تتناسب طرديًا مع ارتفاعه فوق موضع الصفر، فإن مضاعفة الارتفاع ستؤدي إلى مضاعفة طاقة وضع الجاذبية. إن مضاعفة الارتفاع ثلاث مرات ستؤدي إلى مضاعفة طاقة الجاذبية الكامنة ثلاث مرات.

إقرأ أيضاً… ما هي أشكال الطاقة؟ مع أمثلة عليها.

الطاقة الكامنة المرنة.

الشكل الثاني للطاقة الكامنة الذي سنناقشه هو طاقة الوضع المرنة. طاقة الوضع المرنة هي الطاقة المخزنة في المواد المرنة نتيجة لتمددها أو ضغطها.

يمكن تخزين طاقة الوضع المرنة في الأربطة المطاطية، وأوتار البنجي، والترامبولين، والنوابض، والسهم المسحوب في القوس، وما إلى ذلك.

ترتبط كمية طاقة الوضع المرنة المخزنة في مثل هذا الجهاز بكمية تمدد الجهاز – كلما زادت تمتد، والمزيد من الطاقة المخزنة.

النوابض هي مثال خاص لجهاز يمكنه تخزين طاقة الوضع المرنة إما عن طريق الضغط أو التمدد. القوة مطلوبة لضغط الزنبرك.

كلما زاد الضغط، زادت القوة المطلوبة لضغطه بشكل أكبر. بالنسبة لبعض النوابض، يتناسب مقدار القوة بشكل مباشر مع مقدار التمدد أو الضغط (س)؛ يُعرف ثابت التناسب باسم ثابت الزنبرك (ك).

القوة للنابض = ك • س

ويقال إن مثل هذه النوابض تتبع قانون هوك. إذا لم يتم تمديد أو ضغط الزنبرك، فلا توجد طاقة وضع مرنة مخزنة فيه. يقال أن الزنبرك في وضع توازنه.

موضع التوازن هو الموضع الذي يتخذه الزنبرك بشكل طبيعي عندما لا يتم تطبيق أي قوة عليه. من حيث الطاقة الكامنة، يمكن أن يسمى موضع التوازن وضع الطاقة الصفري.

هناك معادلة خاصة للنوابض تربط كمية الطاقة الكامنة المرنة بكمية التمدد (أو الضغط) وثابت الزنبرك. المعادلة هي

القوة للنابض = 0.5 • ك • س2

حيث:

ك = ثابت الربيع

س = مقدار الضغط

(بالنسبة إلى موقف التوازن)

لتلخيص ذلك، الطاقة الكامنة هي الطاقة المخزنة في جسم ما بسبب موقعه بالنسبة إلى موضع الصفر. يمتلك الجسم طاقة وضع الجاذبية إذا تم وضعه على ارتفاع أعلى (أو أقل) من الارتفاع الصفري.

يمتلك الجسم طاقة وضع مرنة إذا كان في موضع على وسط مرن غير موضع التوازن.