لطاقة :هي كل ما يمدنا بالنور ويعطينا الدفء وينقلنا من مكان إلى آخر ، وتتيح استخراج طعامنا من الأرض وتحضيره وتضع الماء بين أيدينا ويدير عجلة الألات التي تخدمنا .
إذا نظرنا إلى ما يحيط بنا نجد أنه يتشكل كله من المادة التي تتكون من ذرات وجزيئات، وتتشكل في إحدى الحالات الصلبة أو السائلة أو الغازية ونلاحظ أن هذه المادة منها الساكن ومنها المتحرك ومنها الساخن ومنها البارد ومنها المضيء ومنها المعتم. هذه السمات الأخيرة؛ السكون والحركة والسخونة والبرودة والإضاءة والإعتام صفات تكتسبها المادة دون أن تغير جوهرها أو تركيبها وهي ناتجة عن اكتساب المادة ما نسميه الطاقة، التي تنتقل من المادة وإليها وبأشكال مختلفة والطاقة هي الوجه الآخر لموجودات الكون غير الحية. فالجمادات بطبيعتها قاصرة عن تغيير حالتها دون مؤثر خارجي، وهذا المؤثر الخارجي هو الطاقة، فالطاقة هي مؤثرات تتبادلها الأجسام المادية لتغيير حالتها، فمثلا لتحريك جسم ساكن ندفعه فنعطيه بذلك طاقة حركية. ولتسخين جسم نعطيه طاقة حرارية، ولجعل الجسم مرئيا نسلط علية ضوءا فنعطيه طاقة ضوئية، وهناك أشكال أخرى من الطاقة كالطاقة الصوتية والكيميائية والكهربائية والنووية. ونحتاج إلى الطاقة في مختلف مجالات الحياة لتشكيل وتحريك واستخدام المادة المحيطة بنا لتسخيرها في خدمتنا.
ولو حاولنا استقصاء وجود الطاقة وشكلها في حياتنا اليومية لوجدناها في كثير مما يحيط بنا
ومن أنواع الطاقة :
-الطاقة الميكانيكية : وهي الطاقة الناتجة عن حركة الأجسام من مكان لآخر حيث أنها قادرة نتيجة لهذه الحركة على بذ ل شغل والذي يؤدي إلى تحويل طاقة الوضع ( potential energy ) إلى طاقة حركة (kinetik energy ) ، والأمثلة الطبيعية لهذا النوع من الطاقة هي حركة الرياح وظاهرة المد والجزر ، ويمكن أن تنشأ الطاقة الميكانيكية بتحويل نوع آخر من الطاقة إلى آخر ، مثل المروحة الكهربائية " تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية " .من أكثر أشكال الطاقة ظهورا واستخداما في حياتنا الطاقة الميكانيكية، وهي الطاقة المسؤولة عن كل أنواع الحركة التي نراها.
- لدراسة الطاقة الميكانيكية يجب علينا اولا دراسة الطاقتين الحركية وطاقة الوضع الثقالية :
- الطاقة الحركية :
-الطاقة الحركية Ec لجسم دو كتلة m و سرعة v تكتب وفق العلاقة التالية : Ec=1/2Mv².
- مبرهنة الطاقة الحركية:
-في حالة انتقال الجسم من موضع A الى موضع B هناك حالتان:
- السقوط الحر: تغير الطاقة الحركية من الموضع A الى الموضع B يساوي مجموع الاشغال الخارجية المطبقة على الجسم : mgh=1/2M(vb²-va²)l
- احتكاكات مهملة.
-حالة صعود الجسم الى اعلى:
1/2Mvb²-1/2Mva²= -mgh
-تمكننا هاتان العلاقتان من معرفة سرعة ارتطام جسم بالسطح ادا كان في حالة سقوط حر:
Vb²=2gh
-والعلاقة الثانية تمككنا من معرفة الارتفاع الدي سيصله الجسم .......
ونستعرض هنا الطاقة الميكانيكية :
1- الطاقة الكامنة المرونية وترتبط بإستطالة الجسم المرن أو إنضغاطه. و عندما يستطيل أو ينضغط الجسم المرن بمقدار x حيث ثابت مرونته k، فإنه يخزن طاقة كامنة مرونية مقدارها:Epe=k. x²/2وعند السماح للجسم المنضغط بالحركة تتحول تلك الطاقة المخزونة طاقة الوضع إلى طاقة حركة.
2-الطاقة الكامنة الثقالية وترتبط بارتفاع الجسم عن الأرض:عندما يكون جسم كتلته M على ارتفاع H من سطح الأرض، نقول أنه يخزن طاقة كامنة ثقلية طاقة الوضع مقدارها :Ep= M.g. Hحيث M تمثل كتلة الجسم بالكيلوجرامH ارتفاع الجسم عن سطح الأرض بالمترg عجلة الجاذبية الأرضية نيوتن /كيلوجرام (N/Kg)وتُعطى الطاقة الميكانيكية بالمعادلة :
E = Ep + Ek
حيث Ek طاقة الحركة، Ep طاقة الوضع للجسم.وكما تنص المعادلة فمجموع طاقة حركة الجسم وطاقة وضعه ثابت، وهي طاقته الميكانيكية.تتغير طاقة الوضع لجسم بتغير ارتفاعه عن سطح الأرض. فإذا افترضنا مؤقتا أن طاقة الوضع لجسم على سطح الأرض تساوي صفرا، ثم قمنا بقذف حجر عموديا إلى أعلى، يبدأ الجسم بطاقة حركة عالية وما يلبث أن تهدأ سرعته رويدا رويدا بفعل الجاذبية أو الثقالة وتتحول طاقة حركته خلال ارتفاعه إلى طاقة وضع. حتى إذا وصل الحجر إلى أقصى ارتفاع له تكون كل طاقة حركته قد تحولت إلى طاقة وضع. ويبدأ الحجر بفعل طاقة الوضع التحرك ثانيا إلى أسفل حيث تزداد سرعته إلى أن يلتقي بالأرض، عندئذ تكون طاقة وضعه (التي اكتسبها في العلاء) قد تحولت إلى طاقة حركة ثانيا. وباصتدامه بالأرض تتحول طاقة حركته فورا إلى طاقة حرارية. وهذا يحقق قانون انحفاظ الطاقة.وفي كل نقطة من مسار الحجر أثناء الصعود والهبوط يكون مجموع طاقة حركته وطاقة وضعه ثابتا.أي إذا تزايدت واحدة تنقص الأخرى بنفس القدر.
وتـُقاس طاقة الوضع مثلما تقاس طاقة الحركة، بوحدة كيلوجرام.2متر. −2ثانية أو جول.
صور لتحول الطاقة الميكانيكية
أ-تحويل ميكانيكي - حراري، مثل تحول طاقة حركة مركبة الفضاء عند عودتها إلى الأرض، إذ يُنتج احتكاكها الشديد بالغلاف الجوي حرارة عالية.
ب-تحويل ميكانيكي - كهربائي، مثل عمل المحول الكهربائي تتحول طاقة حركته الدورانية إلى طاقة كهربائية.
ج-تحويل ميكانيكي - إشعاعي، ويتحقق هذا عندما يصدر إلكترونا سريعا شعاعا كهرومغناطيسيا في هيئة فوتون.د-تحويل ميكانيكي - ميكانيكي، عند اصتدام كرة البلياردو بكرة أخرى، بافتراض انه تصادم مرن (أي عندما تتحول طاقة الحركة بأكمله إلى طاقة حركة فقط من دون تحول جزء منها إلى طاقة حرارية أو تغير في الشكل (تهشم أو اعوجاج).
(((((طاقة الوضع وتسمي أيضا طاقة الارتفاع) هي أحدي صور الطاقة في الفزياء.وهي الطاقة الكامنة التي يكتسبها جسم بسبب وقوعه تحت تأثير جاذبية مثل الجاذبية الأرضية أو تحت تأثير مجال كهربائي. ولذلك تسمى تلك الطاقة بطاقة الوضع.
وعلى الأرض يمكن أن يشكل سطح الأرض مرجعا لحساب تلك الطاقة.
وعادة يستخدم الرمز V أو الرمز Epot لتعريف طاقة الوضع وتسمى بالأنجليزية potential energy
تنضم أنواع الطاقة التالية إلى طاقة الوضع :
طاقة الوضع الناجمة عن الجاذبية الأرضية أو أي نظام ذو ثقالة
طاقة الوضع تحت تأثير مجال كهربائ
طاقة وضع تحت تأثير قو شد مرنة
تغير طاقة الوضع بالارتفاع عن سطح الأرض
تتغير طاقة الوضع لجسم بتغير ارتفاعه عن سطح الأرض. فإذا افترضنا مؤقتا أن طاقة الوضع لجسم على سطح الأرض تساوي صفرا، ثم قمنا بقذف حجر عموديا إلى أعلى، يبدأ الجسم بطاقة حركة عالية وما يلبث أن تهدأ سرعته رويدا رويدا بفعل الجاذبية أو الثقالة وتتحول طاقة حركته خلال ارتفاعه إلى طاقة وضع. حتى إذا وصل الحجر إلى أقصى ارتفاع له تكون كل طاقة حركته قد تحولت إلى طاقة وضع. ويبدأ الحجر بفعل طاقة الوضع التحرك ثانيا إلى أسفل حيث تزداد سرعته إلى أن يلتقي بالأرض، عندئذ تكون طاقة وضعه (التي اكتسبها في العلاء) قد تحولت إلى طاقة حركة ثانيا. وباصتدامه بالأرض تتحول طاقة حركته فورا إلى طاقة حرارية. وهذا يحقق قانون انحفاظ الطاقة.
وفي كل نقطة من مسار الحجر أثناء الصعود والهبوط يكون مجموع طاقة حركته وطاقة وضعه ثابتا.أي إذا تزايدت واحدة تنقص الأخرى بنفس القدر.وتـُقاس طاقة الوضع مثلما تقاس طاقة الحركة، بوحدة كيلوجرام.2متر. −2ثانية أو جول.ويمكن كتابة الطاقة الكلية للجحر بالمعادلة:E = K + Uحيث:E الطاقة الكليةK طاقة الحركةU طاقة الوضع.وبتطبيق المعادلة أعلاه نجد أن الطاقة الكلية للحجر عند نقطة أقصى ارتفاع :E = صفر + U = Uأي تصبح الطاقة الكلية مساوية لطاقة الوضع.وبتطبيق المعادلة على حركة الحجر عند عودته إلى الأرض، تصبح الطاقة الكلية للحجر :K = E + صفر = Kأي عند عودة الحجر إلى الأرض تصبح الطاقة الكلية للحجر مساوية لطاقة حركته.وتظهر طاقة حركة الحجر عند اصتدامه بالأرض على هيئة طاقة حرارية. ولكن الاختلاف في درجة الحرارة هنا يكون ضئيلا فلا نشعر به. وكما تبين أعلاه يمكننا التعبير عن طاقة الحركة بوحدة الجول وهي وحدة حرارية.
طاقة الوضع في البلورات
هناك نوع آخر من طاقة الوضع تظهر في البلورات. في البلورات تترتب الذرات في شكل شبكي ثلاثي الأبعاد حيث تتخد كل ذرة موضعا في البلورة وتكون في العادة محاطة بستة ذرات أخرى : ذرتين فوق وتحت، وذرتين أمام وخلف، وذرتين على اليمين واليسار. وتقوم الذرة في موضعها هذا بحركة اهتزازية حول وضع الاتزان بفعل الحرارة.و تتحكم طاقة الوضع في الحركة الاهتزازية للذرات حيث تعيد الذرة إلى وضع الاتزان عندما تتعداه إلى أقصى بعد عنه. وتقاس تلك الحركة الاهتزازية في المتوسط ب kT/2 حيث k ثابت بولتزمان و T درجة الحرارة بالكلفن. فإذا أخذنا مجموع الذرات في نظام البلورة في الحسبان وجدنا أنها تحتوي على قدر كبير من الطاقة الكامنة أو بمعنى أخر طاقة الوضع.
طاقة الوضع في الجزيئات
تتكون الجزيئات من ذرات مرتبطة بعضها البعض. فجزيئ الأكسجين أو النيتروجين يتكون من ذرتين. وجزيئ ثاني أكسيد الكربون يتكون من ثلاثة ذرات مرتبطة في شكل مستقيم وتتوسطهم ذرة (أو أيون) الكربون. ويتكون جزيئ الماء من ثلاثة ذرات تشكل مثلثا متساوي الضلعان وتتوسطتهم ذرة الأكسجين(تقدر زاوية المثلث عند ذرة الأكسجين بنحو 113 درجة). كل ذرات تلك الجزيئات تمارس اهتزازات حول موقع اتزانها وتعمل الروابط بين الذرات مثل رباط المطاط وتتيح لهاالاهتزاز. وتقدر طاقة الوضع لكل نوع من تلك الاهتزازات في المتوسط بالمقدار kT/2 حيث k ثابت بولتزمان و T درجة الحرارة بالكلفن.
[عدل]استغلال طاقة الوضع في توليد الكهرباء
تستخدم السدود عموما تخدم الغرض الأساسي للاحتفاظ بالمياه وتوليد الكهرباء.
وتُستغل طاقة الوضع الهائلة المختزنة في مياه الأنهار خلف السدود على في توليد الطاقة الكهربائية في المحطات الكهرمائية. وفي تلك المحطات تتحول طاقة الوضع للماء أولا إلى طاقة حركة عند سقوط الماء من أعلى فيدير توربينا والذي يدير بدوره مولدا للكهرباء، وبذلك نحصل على الطاقة الكهربائية التي نستعملها لإنارة المنازل ولتشغيل المصانع. أطول سد في العالم هو سد نورك بارتفاع 300 متر في طاجيكستان.
الطاقة الحركية هي نوع من الطاقة التي يملكها الجسم بسبب حركته. هي تُساوي الشغل اللازم لتسريع جسم ما من حالة السكون إلى سرعة معُينة، سواء كانت سرعة مستقيمة أو زاويّة.
بعد إقتناء هذه الطاقة إثر تسارعه، لا تتغير الطاقة الحركية للجسم، ويظل محتفظا بها طالما لا يوجد احتكاكا يوقفه طبقا لقانون انحفاظ الطاقة، ولتوقيف الجسم المتحرك وتوصيله إلى حالة السكون من جديد يتطلب بذل شغل من جديد مُساو للأول الكبح.ويمكن للطاقة التحول من صورة لأخرى : فلننظر إلى راكب الدراجة، تتحول في جسمه الطاقة الكيميائية المتولدة عن حرق المواد الغذائية التي حصل عليه بالأكل، تتحول إلى طاقة حركة، فهو يبذل شغلا وبذلك يتحرك بعجلته. لأن الطاقة الكيميائية تحولت إلى طاقة حركة. ولكن الطاقة الكيميائية لم تتحول بكاملها في هذا المثال إلى كاقة حركة، إذ أن جزءا منها تحول إلى طاقة حرارية في جسمه، فدرجة حرارة جسمه 37 درجة مئوية. ونلاحظ انحفاظ الطاقة في هذا المثال أيضا ً.وتقاس طاقة الحركة بالوحدات التالية وحدة طاقة:
1 جول = 1 كيلوجرام. متر2. ثانية −2
1 إرج = 1 جرام. سم2. ثانية −2
1 جول = 107 إرج
الخاتمة
لا أحد يشك في ان الطاقة تعتبر المصدر الاساسي لتسيير الحياة اليومية وكلنا نعلم ان الانسان منذ خلقه الله سعى الى البحث عن مصادر الطاقة ومحاولة تطويرها واستكشاف آفاقها والتعرف على مكوناتها.وحتى الامس القريب كان يشار الى الطاقة بالطاقة الفيزيائية اي الملموسة فقط والتي تستخدم في معظم حقول الانتاج وكانت تعتبر الطاقة الابرز في حياتنا حتى بات اكتسابها والحفاظ عليها والسعي للحصول عليها بشتى الوسائل المحرك الاساسي للنزاعات في العالم خصوصا واننا بتنا نسمع في كل يوم عن الاختلافات بشأن مختلف انواع الطاقة المعروفة وخصوصا منها النفط والغاز والذرة والكهرباء والمياه والثروات الطبيعية وغيرها.
الجمعة ديسمبر 12, 2014 12:31 am