الطاقة الحركية والطاقة الكامنة

أنا اليوم لا طاقة لدي، لذا أشعر بالتعب! أن طاقتي اليوم مرتفعة جدا، لذلك أشعر بالنشاط، طاقة بطارية هاتفي منخفضة، طاقة بطارية سيارتي ضعيفة…إلخ.

هذه العبارات هي مفهومنا بشكل عام عن الطاقة، لكن في العلم للطاقة جوانب أخرى ومفهوم آخر تعتمد على الطاقة التي تحتويها المادة، على سبيل المثال؛ لو أحضرت ماء باردًا ووضعته في وعاء، وأخذت ماء من حنفية منزلك وقمت بغليه، ثم وضعت يدك في الوعاء الذي فيه ماء باردا، ومن ثم وضعتها في الوعاء الذي فيه ماء ساخنا! بالتأكيد، سيكون هناك اختلاف في الإحساس الذي تشعر به، لماذا مع أن المادة نفسها وهي الماء؟! التغير يعود إلى الطاقة التي فيهما، فالماء الساخن يحتوي على طاقة أكبر من الماء البارد.

إنها عملية كيميائية، ولفهمها علينا أيضا أن نفهم الطاقة والمتغيرات التي تحدث عليها، المصاحبة للعمليات الكيميائية. كما أن الطاقة مختلفة تماما عن المادة، فهي ليس لها كتلة، ولا يمكن الاحتفاظ بها في أيدينا أو أن نحددها في مكان معين، لكن مع هذا يمكن ملاحظة آثاراها، بل وقياسها أيضًا.

أشكال الطاقة

هناك أشكال مختلفة للطاقة وهي كالآتي:

1. الطاقة الكيميائية.
2. الطاقة الحرارية.
3. الإشعاع الكهرومغناطيسي.
4. طاقة الوضع.
5. الطاقة الكهربائية.
6. الطاقة النووية.

وكل طاقة من هذه لها تفصيلها العلمي الخاص بها، ولكننا اليوم سنتكلم فقط عن الطاقة الحركية والطاقة الكامنة.

الطاقة الحركية والطاقة الكامنة

هناك شكلان أساسيان للطاقة وهما الطاقة الحركية وطاقة الوضع (الكامنة)، وهذا يعني أن لكل جسم سواء كان سيارة أو لعبة أطفال، أو حتى الجزيئات، فكلها لديها طاقة وضع وطاقة حركية، أي بمعنى طاقة الحركة، ويعتمد مقدار الطاقة الحركية للمادة على الكتلة والسرعة.

في السرعة، هذا يعني أن الطاقة الحركية تزداد في الجسم مع زيادة سرعته، على سبيل المثال؛ السيارة التي تسير بسرعة 60 ميلا في الساعة، تمتلك طاقة حركية أكبر من التي تسير بسرعة 20 ميلا في الساعة.
وفي الكتلة، فإن الطاقة الحركية تزداد أيضا بزيادة كتلة المادة، وعلى سبيل المثال؛ فلو هناك شاحنة كبيرة تسير بسرعة 60 ميلا في الساعة فيكون لديها طاقة حركية أكبر من دراجة نارية تسير بنفس السرعة.

01. الطاقة الحركية

كل جسم متحرك فهذا يعني أن له طاقة حركية، كالسيارة والكرة ولعب الأطفال وغيرها، وهذه الطاقة تعتمد على سرعة حركة الجسم بعد السكون، سواء كانت سرعته مستقيمة أو زاوية.

كما أنه يمكن للطاقة أن تتحول من صورة إلى أخرى، على سبيل المثال؛ لو شاهدنا راكب دراجة هوائية، فإننا سنلاحظ تحول الطاقة الكيميائية التي تتولد من حرق المواد الغذائية التي حصل عليها من تناول الطعام، إلى طاقة حركية، فهو يبذل جهدا وبذلك تتحرك عجلته، لأن الطاقة الكيميائية تحولت إلى طاقة حركية، كما أن الطاقة الكيميائية لم تتحول بكاملها إلى طاقة حركية، لأن قسما منها تحول إلى طاقة حرارية في الجسم.

1.1. الطاقة الحركية للذرات والجزيئات

على الرغم من أن هذه الجسيمات ذات حجم صغير جدا، ولا يمكن أن ترى بالعين المجردة، إلا أنها تمتلك كتلة وحركة، وهذا يعني أنها تمتلك طاقة حركية.

على سبيل المثال عندما يتم تسخين مادة ما، سواء كان وعاء ماء على موقد أو تحت أشعة الشمس، فهذا يؤدي إلى أن تلك الجزيئات والجسيمات في تلك المادة قد اكتسبت طاقة حركية، وبالتالي يزداد معدل حركتها وسرعتها، وهذا يعني أن نقل الحرارة هو ببساطة نقل الطاقة الحركية على مستوى الذرات والجزيئات.

02. طاقة الوضع

طاقة الوضع أو ما تعرف أيضا بالطاقة الكامنة، هي الطاقة المخزنة داخل كل جسم أو مادة، والتي تعتمد على الوضع النسبي للجسم نسبة إلى بقية الأجسام التي هي تعد في نفس النظام.

ترتبط الطاقة الكامنة ارتباطا مباشرا بارتفاع الجسم فوق سطح الأرض، وبالتالي ارتفاعه سوف يؤدي إلى ارتفاع الطاقة الكامنة.
بمعنى أن الطاقة الكامنة هي الطاقة التي يمتلكها شيء ما لأنه مرتفع عن سطح الأرض. على سبيل المثال؛ سيارة على قمة تل، أو لوح تزلج في الجزء العلوي من المنحدر، حتى ممكن أن تكون تفاحة على وشك السقوط من الشجرة. بما أن هذه الأجسام التي ذكرناها ثابتة في مكانها فهي تحتوي على طاقة كامنة، وطاقة الوضع هي خاصية تشمل نظاماً كاملاً ولا يختص في الأجسام بصفة فردية.

1.2. قانون طاقة الوضع

عندما نقوم برفع كتلة ما، بمسافة معينة عن سطح الأرض، فإن القانون التي يتم من خلاله حساب طاقة الوضع لهذا الجسم هو:

طاقة الوضع = الكتلة × الارتفاع × تسارع الجاذبية الأرضية.
القانون بالرموز؛ ط و = ك × ع × ت

2.2. العوامل المؤثرة في طاقة الوضع

من خلال قانون حساب طاقة الوضع، فإنه يمكننا من خلاله استنتاج العوامل المؤثرة التي من شأنها أن تحدد طاقة الوضع للجسم، وهي كما يأتي:

• كتلة الجسم: وهذا يعني إنه كلما زادت كتلة الجسم، زادت الطاقة الكاملة للجسم.
• ارتفاع الجسم: ارتفاع الجسم عن سطح الأرض يؤثر في طاقة الوضع، هذا يعني كلما زاد الارتفاع زادت الطاقة الوضعية للجسم.

3.2. أمثلة عن طاقة الوضع

• كرة ساكنة فوق الطاولة: في مثل هذا الحالة تسمى طاقة الوضع بفعل الجاذبية، وذلك لأن الطاقة التي تمتلكها الكرة يعود إلى موقعها العامودي، وعلى هذا الأساس كلما زادت كتلة الجسم زادت طاقة وضع الجاذبية التي يمتلكها.
• عند سحب السهم في القوس: في هذه الحالة تدعى طاقة الوضع المرنة، وهي الطاقة التي تكتسب بنتيجة التمدد والانضغاط، أما بالنسبة للمواد المرنة فهذا يعني كلما يزداد التمدد تزداد طاقة الوضع.
• الروابط الكيميائية التي توجد لدى الذرات والجزيئات الصغيرة: هي نتيجة لتباعد أو تقارب الإلكترونات في الذرة، فإنها تحتوي على طاقة وضع يعبر عنها إلكترونيا بالجهد الكهربائي.

4.2. أشكال طاقة الوضع

الأجسام التي تمتلك طاقة وضع فأنها تخزن هذه الطاقة في أجسامها بعدة طرق، قبل أن يتم تحرير هذه الطاقة، ومن أهم أشكال الطاقة الكامنة هي ما يلي:

1. طاقة الوضع الكيميائية.
2. طاقة الوضع الفيزيائية.
3. طاقة الوضع الكهربائية.

ولكل منها تفصيلها العلمي طبعا.

03. تحول الطاقة الحركية إلى طاقة كامنة

يمكن للطاقة الحركية أن تتحول بفعل ما إلى طاقة وضع والعكس أيضاً، وللتوضيح أكثر خذ مثلا؛ إذا جلس شخص على أرجوحة ثابتة، فإن الطاقة الحركية هنا تساوي صفر، بينما طاقة الوضع بأعلى مستوياتها، لأنه لا يتحرك، لكن بمجرد أن يبدأ هذا الشخص بالتأرجح فهذا يعني أن طاقته الحركية أصبحت في أعلى مستوياتها، وتدني طاقة الوضع إلى الصفر، وكل هذا بفعل الارتفاع والانخفاض من نقطة إلى أخرى.

مثال آخر يتم فيه تحويل الطاقة الكامنة إلى الطاقة الحركية، على سبيل المثال، هناك كرة موضوعة في أعلى التل ونظرا لقوة الجاذبية التي تجذب الكرة، فهذا يعني طاقة الوضع للكرة على التل أعلى مقارنة مع القاع. لكن عندما تتدحرج الكرة إلى الأسفل وكلما زادت سرعتها فهذا يعني أن طاقة الوضع تقل وفي نفس الوقت أيضاً فإن الطاقة الحركية تزداد.
وهذه الأمثلة توضح أن الطاقة الحركية والطاقة الكامنة يمكن أن يتحولا أو بتعبير آخر يمكن أن يحصل تبادل فيما بينهما.

مصدر1 ، مصدر2 ، مصدر3 ، مصدر4 ، مصدر5