الطاقة والعمل

الطاقة هي واحدة من أهم المفاهيم الغامضة في الفيزياء. لحسن الحظ ، يمكن أن تساعد العلاقة بين الطاقة والعمل في فهم العديد من مشاكل الفيزياء.

غالبا ما يتم تعريف الطاقة - وخاصة الطاقة الميكانيكية - على أنها القدرة على القيام بالعمل ، أي ممارسة قوة صافية على جسم ما مما يجعله يتحرك لمسافة معينة. يمكن أن تأتي الطاقة الميكانيكية في شكل طاقة تعتمد على الموضع ، يشار إليها باسم الطاقة الكامنة ، والطاقة المعتمدة على الحركة ، والتي تسمى الطاقة الحركية. بينما يمكن تحويل الطاقة الكامنة والحركية لجسم ما إلى بعضها البعض ، فإن قانون الحفاظ على الطاقة يملي أن تظل الطاقة الإجمالية لنظام معزول ثابتة.

سيقدم هذا الفيديو مبدأ الطاقة العملية ، ويناقش مفاهيم الطاقات الحركية والكامنة ، ويستخدم قانون الحفاظ على الطاقة لربط هذه الطاقات في تجربة تنطوي على طائرات شراعية تنزلق على المسار.

في حين أن هناك أنواعا عديدة من الطاقة ، فإن الطاقة الميكانيكية توضح بوضوح فكرة أن الطاقة هي القدرة على القيام بالعمل. أحد الأمثلة على ذلك هو عندما تطير قذيفة مدفع في جدار من الطوب.

في هذه الحالة ، يعمل الجسم ، قذيفة المدفع ، على جسم ، الجدار ، عن طريق ممارسة قوة صافية وجعل الجسم يتحرك لمسافة معينة. يعرف العمل بأنه حاصل الضرب النقطي للقوة المطبقة والمسافة المنقولة. يجب أن تكون هذه القوة المطبقة في اتجاه الإزاحة من أجل القيام بالعمل ، أي أن مكون القوة الموازي للإزاحة فقط يمكنه القيام بالعمل.

الآن ، يمكننا ربط العمل بالطاقة الميكانيكية ، التي تتكون من الطاقة الحركية والطاقة الكامنة. الجسم المتحرك من مكان إلى آخر ، مثل قذيفة المدفع ، لديه طاقة حركية انتقالية والقدرة على القيام بالعمل.

لنفترض أننا قمنا بتسريع قذيفة المدفع من السرعة الابتدائية vi إلى السرعة النهائية ل vf - وهي عملية تحكمها معادلة من علم الحركية. يتطلب هذا الحدث قوة صافية ثابتة ، مدفوعة بقانون نيوتن الثاني ، ليتم تطبيقها على مسافة معينة. من خلال الجمع بين المعادلتين ، وملاحظة أن الطاقة الحركية الانتقالية تعرف بأنها mv2 ، من الواضح أن العمل المنجز على قذيفة المدفع ، وهي Fnet في D ، يساوي الفرق في الطاقات الحركية النهائية والأولية. هذا هو مبدأ العمل والطاقة.

عندما يتعلق الأمر بالطاقة الكامنة ، فإن الصخرة الموجودة على حافة الجرف لها طاقة وضع جاذبية كبيرة. عند إطلاق سراحها ، لديها القدرة على القيام بعمل على أرض الواقع. يعتمد هذا العمل المحتمل على كتلة الصخرة والتسارع الناتج عن الجاذبية وارتفاع السقوط. وهذا العمل يساوي الطاقة الكامنة قبل السقوط، أو Pi.

وفقا لقانون المحادثة ، يمكن تحويل الطاقة أثناء حدث ما ، ولكن يجب أن تظل الطاقة الإجمالية للنظام كما هي. لذلك ، يجب أن يساوي مجموع الإمكانات الأولية والطاقات الحركية مجموع الطاقات النهائية. السرعة الابتدائية للصخرة وطاقتها الحركية هي صفر بينما ارتفاعها النهائي وطاقتها الكامنة هي أيضا صفرا. لذلك ، فإن طاقة وضع الجاذبية الأولية تساوي الطاقة الحركية الانتقالية النهائية. باستخدام المعادلات السابقة ، يمكن رسم عدد من العلاقات بين السرعة والارتفاع والكتلة والطاقة.

الآن بعد أن تعلمت مبدأ طاقة العمل وقانون الحفاظ على الطاقة ، دعنا نرى كيف يمكن تطبيق هذه المفاهيم على تجربة تتضمن الطاقة الميكانيكية.

تتكون هذه التجربة من مستشعر السرعة ، ومسار هوائي ، وعدد قليل من كتل الألمنيوم المتطابقة ، وطائرة شراعية ، وعدد قليل من الأوزان التي يمكن إضافتها إلى الطائرة الشراعية ، ومقياس ، وإمداد هواء ، ومسطرة.

ضع الطائرة الشراعية على الميزان وسجل كتلتها. قم بتوصيل مصدر الهواء بالمسار الجوي وتشغيله قم بقياس ارتفاع إحدى كتل الألمنيوم وتسجيلها في دفتر المختبر. ضع كتلة الألمنيوم تحت سفح المسار الجوي الأقرب إلى مصدر الهواء. سيكون هذا هو تكوين أقل ارتفاع.

ضع الطائرة الشراعية في موضعها الأولي وحررها من الراحة. باستخدام مستشعر السرعة ، سجل سرعة الطائرة الشراعية أثناء مرورها بالوضع النهائي على المسار. كرر هذا الإجراء خمس مرات واحسب متوسط السرعة.

ضع كتلة إضافية من الألومنيوم أسفل المسار الهوائي لرفع تكوين الارتفاع. قم بقياس الفرق بين hia و hf كما كان من قبل وتحقق من أن هذا ضعف ارتفاع كتلة الألومنيوم. كرر مجموعة قياسات السرعة لتكوين الارتفاع هذا.

ضع كتلة ألومنيوم نهائية أسفل المسار الهوائي ، بافتراض أن فرق الارتفاع الآن هو ثلاثة أضعاف ارتفاع الكتلة وتكرار قياسات السرعة. بعد ذلك ، ضع بعض الأوزان لزيادة كتلة الطائرة الشراعية ، ثم كرر التجربة لقياس السرعات عند الارتفاعات الثلاثة المختلفة.

باستخدام المعادلات المشتقة من مبدأ طاقة العمل ، يمكن حساب الطاقات الكامنة والحركية لكل شوط مع إدراكها للوحدات لكل متغير. يتم سرد اختلافات الطاقة الكامنة للارتفاعات المختلفة في عمود PE في الجدول. كما هو متوقع ، تزداد الطاقة الكامنة للنظام مع زيادة الارتفاع والكتلة الثقيلة ، مما يشير إلى إمكانية أكبر للقيام بالعمل.

توجد أيضا قيم الطاقة الحركية الانتقالية في الجدول الموجود في عمود KE. على غرار الطاقة الكامنة ، تكون الطاقة الحركية أكبر بالنسبة للطائرة الشراعية الأثقل ، ومع ذلك فإن السرعات النهائية للطائرة الشراعية الأثقل هي نفسها الطائرة الشراعية الأخف. يتضح هذا من المعادلة المتعلقة بالطاقات حيث تكون السرعة دالة للارتفاع فقط. علاوة على ذلك ، تزداد السرعة بمعدل يتناسب مع الجذر التربيعي للارتفاع كما هو متوقع.

وفقا لقانون الحفاظ على الطاقة ، يجب أن تكون أعمدة KE و PE في الجدول متساوية ، وهما تقريبا متساويان. تأتي التناقضات في مجموعتي القيم من أخطاء في القياسات التي تم إجراؤها والتي تقدر بحوالي 10٪ لهذا النوع من التجارب.

التطبيقات التي تنطوي على مبدأ طاقة العمل موجودة في كل مكان وتتضمن جميع أشكال الطاقة المختلفة.

تعتبر الوقايات الدوارة مثالا ممتازا على تحويل الطاقة الميكانيكية. يتم سحب السفينة الضخمة في البداية إلى ارتفاع كبير أمام منحدر حاد. ثم يتم تحويل الطاقة الكامنة الكبيرة المكتسبة في الجزء العلوي من المنحدر إلى طاقة حركية لبقية الرحلة. أثناء الركوب ، تشهد السفينة تبادلا مستمرا للطاقة الكامنة والحركية.

تظهر التفاعلات الكيميائية أيضا تحويل الطاقة مع تبادل الطاقة عادة بين الطاقة الكامنة الكيميائية والطاقة الحرارية. إذا كان التفاعل طاردا للحرارة ، فإن الطاقة الكامنة تنبعث كحرارة للبيئة ، بينما ينطبق العكس على التفاعلات الماصة للحرارة. يمكن أن تكون بعض التفاعلات الطاردة للحرارة متفجرة وبالتالي تولد طاقة حركية تعمل على محيطها.

لقد شاهدت للتو مقدمة JoVE عن الطاقة والعمل بالقوة. يجب أن تفهم الآن مفهوم وأهمية مبدأ العمل والطاقة وكيف يمكن لقانون الحفاظ على الطاقة أن يربط بين الطاقات الكامنة والحركية. شكرا للمشاهدة!