عندما نذكر الطاقة الحركية للبعض، فإنها تبدو مصطلحًا معقدًا، لكنها في الواقع تملك مفهومًا بسيطًا للغاية في عالم الفيزياء، وبكل بساطة، الطاقة الحركية، هي الطاقة التي تكتسبها الأجسام عندما تتحرك، حيث لا يملك الجسم الثابت أي طاقة حركية.
نعلم أننا نعيش على كوكب يملك طاقة حركية كبيرة ناتجة عن دورانه حول محوره بسرعة ثابتة، بالإضافة إلى أننا محاطون بالطاقة الحركية في تفاصيل حياتنا اليومية كالمشي، حركة السيارات، دوران المراوح الكهربائية في فصل الصيف، السقوط الحر لأي جسم من ارتفاع معين… لذا لا بد لنا من معرفة المزيد عنها حتى نستطيع استثمارها بشكل صحيح.
تعريف الطاقة الحركية (kinetic Energy)
الطاقة الحركية (KE) هي الطاقة التي تكتسبها الأجسام بفعل حركتها، وتنشأ بشكل أساس عندما تتحرر الطاقة الكامنة للجسم نتيجة قوى خارجية كالجاذبية الأرضية، حيث ينجم عن ذلك تحفيز طاقته الحركية. مع العلم أنه يمكن تبادلها بين الأجسام وتحويلها إلى أنواع أخرى من الطاقة.
كما تُعرّف بأنها مقدار العمل اللازم لنقل جسم من حالة السكون إلى حالة الحركة، بحيث يكتسب سرعة معينة، عندما نطبق عليه قوة ما. مثال على ذلك مقدار العمل اللازم لنقل جسم على طول مسار من مكان إلى آخر، أو دورانه حول محوره، أو حتى اهتزازه…
من وضع مفهوم الطاقة الحركية؟
يعد “ويليام أكام” هو أول من ميّز بين (KE) والحركة الديناميكية للأجسام سنة 1323م، حيث بيّن أن الحركة الديناميكية تحدث في الجسم ذاتيًا، في حين أن الطاقة الحركية تحتاج إلى تطبيق قوة خارجية محددة على الجسم، أو تحدث نتيجة تبادل الطاقة مع أجسام أو قوى أخرى، كاصطدام كرة متحركة بكرة أخرى ساكنة.
قانون حساب الطاقة الحركية
يمكن حساب الطاقة الحركية بالعلاقة التالية بدقة بالاعتماد على نظرية الميكانيكا النيوتينية، التي تعد من أهم النظريات في الفيزياء، حيث وضحت هذه النظرية طاقة حركة الأجسام نتيجة القوى المؤثرة عليها.
KE = (1/2) *m*v^2
حيث:
m: كتلة الجسم (كغ)
v2: هي مربع سرعته. حيث تقدر السرعة (v) بـ (م/ثا).
وحدة قياس الطاقة الحركية (KE)
تُقاس (KE) بالجول (J)، والجول يساوي قوة نيوتن واحد (N) يعمل على تحريك الجسم مسافة متر واحد. ويعد الجول هو الواحدة التي تُقاس بها جميع أنواع الطاقة.
كما تقاس أيضًا بـ كيلوغرام * (م/ ثا)^2
العوامل التي تؤثر على الطاقة الحركية
بالنظر إلى العلاقة السابقة لحساب الطاقة الحركية نلاحظ أنها تتعلق بـ:
- كتلة الجسم m: حيث تزداد الطاقة الحركية لجسم ما كلما ازدادت كتلته.
- سرعة الجسم v: كلما ازدادت سرعة الجسم تزداد طاقته الحركية.
خصائص الطاقة الحركية
تتمتع هذه الطاقة بمجموعة من الخصائص تميزها عن أشكال الطاقة الأخرى، حيث:
- عندما تتضاعف سرعة جسم ما مرة واحدة، فإن طاقته الحركية تتضاعف 4 مرات. فالطاقة الحركية لجسم ما تتناسب طردًا مع مربع سرعته.
- لها قيمة موجبة، أو قد تكون مساوية للصفر، وفي هذه الحالة يكون وضع الجسم ساكنًا، ولا يمكن أن تكون قيمتها سالبة. في حين يمكن أن تكون قيمة السرعة إما سالبة أو موجبة، حيث تربيع السرعة يكون دائمًا موجبًا.
- تزداد قيمتها أو تنقص عندما تتغير السرعة.
- تكون أكبر في الأجسام الثقيلة، فالطاقة الحركية لشاحنة أكبر منها لسيارة صغيرة عندما يسيران بالسرعة ذاتها.
- يمكن أن تتحول إلى أشكال أخرى من أشكال الطاقة.
- لا تتغير قيمتها بتغيير مسار الجسم عندما تكون السرعة ثابتة، فالطاقة الحركية لكرة تنس عندما نلقيها إلى اليمين بسرعة 5 م/ ث، تمامًا مثل طاقة كرة التنس التي يتم رميها لأسفل بسرعة 5 م/ ث.
- لها قيمة بغض النظر عن اتجاه حركة الجسم المتحرك.
- ثابتة القيمة في حال كانت سرعة الجسم ثابتة، حيث يحتفظ الجسم بنفس المقدار من الطاقة الحركية حتى يتباطأ أو يتسارع.
أنواع الطاقة الحركية
هناك ثلاثة أنواع رئيسة من (KE):
1 – الطاقة الحركية الانتقالية
ترتبط الطاقة الحركية الإنتقالية بقدرة الجسم على الحركة عبر الفضاء، فعندما نرمي كرة من أعلى سطح منزل، فإن الكرة أثناء سقوطها للأسفل، تمتلك طاقة حركية انتقالية.
2 – الطاقة الحركية النسبية
هي الطاقة التي تملكها الأجسام التي تتحرك بـ سرعة الضوء وتكون قيمتها حاصل جداء كتلة الجسيمات، مضروبة في مربع سرعة الضوء.
3 – الطاقة الحركية الدورانية
تعتمد الطاقة الحركية الدورانية على حركة الجسم المتمركزة حول محور، كمثال على ذلك دحرجة كرة من أعلى قمة منحدر باتجاه أسفل السفح، الكرة في هذه الحالة تكتسب طاقة حركية دورانية.
تتوقف قيمة (KE) في هذه الحالة على السرعة الزاوية للجسم، بالراديان في الثانية، ولحظة القصور الذاتي للجسم (العطالة). حيث السرعة الزاوية هي سرعة الدوران. أما لحظة القصور الذاتي فهي مدى سهولة تغير دوران الجسم.
أشكال الطاقة الحركية
يمكن أن تتواجد هذه الطاقة في الحياة بعدة أشكال:
1 – طاقة ميكانيكية
تعد الطاقة الميكانيكية هي أكثر أشكال الطاقة الحركية وضوحًا بالعين المجردة، فكلما تحرك الجسم بشكل أسرع، زادت الطاقة الميكانيكية التي يمتلكها وزادت قدرته على القيام بالعمل.
من أبرز الأمثلة عليها طاحونة الهواء التي تحول طاقة الرياح إلى طاقة حركية تجعل مراوح الطاحونة تدور، كذلك السدود الكهرمائية التي تولد الكهرباء من حركة الماء المتدفق.
2 – الطاقة الكهربائية
هي الطاقة الناتجة عن حركة الإلكترونات، تعمل حركة هذه الإلكترونات (الكهرباء) على تشغيل أجهزتنا اليومية، مثل مصباح مكتبي أو هاتف محمول.
3 – الطاقة الإشعاعية
هي نوع من الطاقة الحركية التي تنتقل بوساطة الموجات أو الجسيمات، ويتم الحصول عليها من خلال الموجات الكهرومغناطيسية التي نلاحظها على شكل حراري او ضوئي في حياتنا العملية، كالمصباح المتوهج، الأشعة السينية، محمصة كهربائية، إشارات الراديو وأشعة الشمس.
4 – الطاقة الحرارية
هي الطاقة الناتجة عن نشاط الذرات والجزيئات في الأجسام، حيث تتحرر الحرارة نتيجة اصطدامها ببعضها البعض، هذه الحركة هي سبب اعتبار الطاقة الحرارية مثالاً على الطاقة الحركية، حتى لو لم نتمكن من رؤيتها بالعين المجردة.
أمثلة عنها الطاقة الحرارية الأرضية والتي تعد مصدر متجدد تستخدم لتوليد الكهرباء في منازلنا، الخبز في الفرن، غليان الماء، حيث يمكن رؤية الطاقة الحركية النشطة للماء شديد السخونة، على المستوى المجهري، حيث تكون جزيئات الماء الفردية نشطة بشكل متساوٍ.
5 – الطاقة الصوتية
تنتج طاقة الصوت عن الاهتزازات بفعل الأصوات الصادرة عن الأجسام كالطبول، الإنسان، أصوات المحركات ومكبرات صوت الستيريو… حيث تُحدث هذه الإهتزازات موجات من الحركة تنتقل عبر الهواء وتصل إلى طبلة الأذن مما يسبب اهتزازها، ليقوم دماغنا بتفسير هذا الصوت بناء عليها.
تطبيقات وأمثلة عن الطاقة الحركية في حياتنا
تم تسخير هذه الطاقة في الكثير من التطبيقات المفيدة للإنسان في حياتنا اليومية منها:
1 – محطات الطاقة الكهرومائية
يتم في هذه المحطات استخدام طاقة الماء الحركية لتوليد الكهرباء، حيث تتحول هذه الطاقة إلى طاقة ميكانيكية عندما يصطدم الماء بالتوربينات الموجودة في محطة التوليد، ضمن جسم السد، مما يؤدي في النهاية إلى إنتاج الطاقة الكهربائية.
2 – طواحين الهواء
تمتلك الرياح طاقة حركية كبيرة، فعندما تضرب هذه الرياح ريش طاحونة الهواء تسبب دورانها حيث تتحول هذه الطاقة إلى طاقة ميكانيكية ويتم توليد الكهرباء في النهاية.
3 – السيارة المتحركة
تمتلك السيارة المتحركة طاقة حركية تتناسب طرداً مع كتلتها ومربع سرعتها.
4 – الطائرة
تتمتع الطائرة أثناء تحليقها بطاقة حركية كبيرة ليس لأنها تمتلك كتلة كبيرة فحسب، بل أيضًا بسبب سرعتها العالية جدًا.
5 – المشي والجري
المشي والجري يُكسب جسمك طاقة حركية تعطيك شعورًا بالدفء، حيث يتم تحويل الطاقة الكيميائية التي يختزنها جسمك إلى طاقة حركية وتتحرر الحرارة.
7 – ركوب الدراجات
تعمل حركة عجلات الدراجات الهوائية على تحويل الطاقة الكامنة إلى طاقة حركية تزداد كلما ازدادت سرعة الدراجة.
8 – الإفعوانية
تعد الإفعوانية من الألعاب الممتعة التي يرغب الكثيرون بتجربتها، وتعتمد بشكل أساس على السقوط الحر من ارتفاع عالٍ، فعندما تكون العربة في الأعلى تكون طاقتها الحركية صفر لأنها في حالة سكون، ولكن ما أن تبدأ بالسقوط الحر حتى تبدأ طاقتها الحركية بالإزدياد تدريجيًا مع الزيادة التدريجية في سرعتها بشرط أن تظل السرعة ثابتة.
9 – كرة الكريكيت
تكتسب كرة الكريكيت طاقتها الحركية لحظة رميها من قبل اللاعب بقوة معينة باتجاه رجل المضرب، حيث تكتسب سرعة ما، وبالتالي تزداد KE.
مسائل في حساب الطاقة الحركية
مسألة 1
احسب الطاقة الحركية لجسم كتلته (10) كغ، يتحرك بسرعة (2) م/ ثا.
KE = (1/2) *m*v^2
2^(2) * 10 * (2/1) =
جول 20 = 0.5 * 10 * 4=
مسألة 2
احسب كتلة جسم طاقته الحركية (KE) 100جول، ويتحرك بسرعة V (2) م/ ثا.
KE = (1/2) *m*v^2
m = 2* (KE)/ (v)^2
m = 2 * 100/ (4) =50 kg
مسألة 3
احسب سرعة جسم طاقته الحركية (200) جول وكتلته (4) كغ.
KE = (1/2) *m*v^2
V^2 = 2* KE/ (m)
100 = = 2 * 200/ (4)
بأخذ الجذر التربيعي لمربع السرعة V^2 تكون السرعة 10 م/ ثا
مسألة 4
احسب الطاقة الحركية KE لسيارة كتلتها (1500) كغ، تسير بسرعة V (14 م/ ثا).
الحل:
KE = (1/2) *m*v^2
0.5 * 1500 * (14) ^2 =
جول 147000 =
مسألة 5
احسب الطاقة الحركية لنيزك وزنه m (1) كغ، يضرب القمر بسرعة (11 كم/ ثا).
الحل:
في البداية نحول واحدة السرعة إلى م/ ثا.
م/ ثا V= 11*1000 = 11000
KE = (1/2) *m*v^2
0.5 * 1* 11000 = KE
(جول) 5500 =
المصادر
- Kinetic Energy Explained (An Energy Resource!) | taraenergy
- wind power| Britannica
- Kinetic Energy | physicsclassroom
- Examples of Kinetic Energy in Everyday Life| studiousguy
- What is kinetic energy? | khanacademy
- Kinetic Energy Examples | examples.yourdictionary
- Potential and Kinetic Energy | mathsisfun
