يبدو للجميع أن الجسم الساكن في موقع معين لا يملك أي طاقة!! هذا غير صحيح، فالأجسام تخزن مقدارًا من الطاقة عندما يتم وضعها على ارتفاع محدد عن سطح الأرض، أو حتى على الأرض مباشرةً، في حالة السكون، تعرف هذه الطاقة بالطاقة الكامنة أو طاقة الوضع.
نحن محاطون بالطاقة الكامنة في حياتنا، حيث تعد هذه الطاقة مفهوماً أساسياً عند خوض أي نقاش في مجال الفيزياء، وهي واحدة من أكثر المتغيرات تأثيرًا في الصيغ التي تصف كوننا. حيث تتحول هذه الطاقة إلى أشكال أخرى قد تكون حركية أو كهربائية أو مغناطيسية نستخدمها لإنجاز أعمال يومية مختلفة.
تعريف الطاقة الكامنة- طاقة الوضع (Potential Energy)
الطاقة الكامنة، تُعرف أيضًا بطاقة الوضع أو طاقة الإرتفاع، وتُعرّف بأنها الطاقة التي يختزنها الجسم نتيجة وجوده في موضع معين بحالة السكون. أو بمعنى آخر هي شكل من أشكال الطاقة التي يمتلكها الجسم في حالة الراحة، بسبب موقعه النسبي إلى الأجسام الأخرى. ويعرّف بعض العلماء طاقة الوضع لأي جسم بأنها قياس قدرته على القيام بعمل ما وتوليد الحرارة والطاقة.
يرمز لطاقة الوضع بالرمز (E) أو الرمز (PE). ويعرف العمل في الفيزياء، بأنه الجهد اللازم لتحرك قوة مقدارها 1 نيوتن جسمًا ما مسافة متر واحد في اتجاه القوة.
مفهوم الطاقة الكامنة
الطاقة الكامنة هي خاصية يتمتع بها النظام وليس الجسم بمفرده. لا بد وأنك تتساءل ماذا يعني النظام؟ مثلًا النظام المكون من كرة فولاذية مرفوعة إلى ارتفاع محدد عن سطح الأرض، هذا النظام لديه طاقة وضع، بسبب قوة الجاذبية بين الجسم والأرض والتي ترتبط بالمسافة التي تفصل بينهما. فالطاقة الكامنة التي يمتلكها النظام تساوي العمل الممكن انجازه.
لماذا سميت الطاقة الكامنة بهذا الإسم؟
سميت الطاقة الكامنة بهذا الاسم بسبب قدرتها على التحول إلى شكل آخر من أشكال الطاقة، مثل الطاقة الحركية، وذلك عندما يتم تغيير موقع الجسم.
وكمثال على ذلك سيارة تقف على قمة منحدر بحالة سكون، فهي بهذا الموقع تمتلك طاقة وضع متناسبة مع ارتفاعها، ولكن عندما تنزل السيارة إلى أسفل السفح فإن طاقة الوضع تكون قد تحولت إلى طاقة حركية.
وسُميّت بطاقة الوضع أيضًا لأن الجسم عادةً يكتسب طاقته الكامنة عند وقوعه تحت تأثير الجاذبية الأرضية أو تحت تأثير مجال كهربائي إذا كان له شحنة كهربائية. ولذلك تسمى تلك الطاقة بطاقة الوضع بحسب وضعه.
من صاغ مصطلح الطاقة الكامنة؟
تم استخدام مصطلح الطاقة الكامنة لأول مرة بواسطة مهندس وعالم فيزيائي أسكتلندي يُدعى ويليام رانكين خلال القرن التاسع عشر. إلا أن مفهوم الطاقة الكامنة يعود بالأساس إلى أرسطو.
قانون حساب الطاقة الكامنة
يمكن حساب طاقة الوضع لجسم ما كتلته (m) كيلو غرام، ويرتفع عن سطح الأرض بمقدار (h) م، مع الأخذ بعين الإعتبار تأثير الجاذبية الأرضية (g) والتي تقدر بـ (9.8 m/sec^2) بالعلاقة:
E = m * g * h
وينص قانون حفظ الطاقة على أن العمل المبذول لتحريك جسم ما = قوة الثقل * الانتقال حبث قوة الثقل تساوي
(m * g)، والانتقال يعادل الارتفاع (h) وهو يساوي الطاقة الكامنة التي اكتسبها الجسم في حال الراحة أو السكون، وبالتالي يمكن حساب العمل بالعلاقة:
PE = m * g * h
PE هي الطاقة الكامنة (أو العمل) مقاسًا بالجول.
ولحساب طاقة الوضع المختزنة في النابض يتم استخدام قانون هوك، الذي ينص على أن هذه الطاقة تتناسب طردًا مع مقدار الضغط والتمدد للنابض، وفق بالعلاقة التالية:
Fs= k * L
Fs: هي الطاقة المرنةالكامنة للنابض.
k: هو ثابت قوة النابض.
L: هو مقدار تمدد أو انضغاط النابض.
تقدر طاقة الوضع في هذه الحالة بـ النيوتن، ويرمز لها بـ N.
واحدة قياس الطاقة الكامنة
وحدة قياس طاقة الوضع هي نفس وحدة قياس الطاقة الحركية وتقدر بـ: (kg.m2/ sec2 )
وبشكل عام كل أشكال الطاقة لها نفس الوحدات (kg.m2/ sec2 )، ويتم قياسها باستخدام وحدة الجول (J).
أما في حال حساب الطاقة الكامنة بالنابض أو الربيعة فإن الطاقة الكامنة تقدر بالنيوتن (N).
العوامل المؤثرة في طاقة الوضع
تتأثر طاقة الوضع بعاملين أساسين يمكننا استنتاجهما من قانون حساب الطاقة الكامنة، حيث نجد أنه:
- تزداد الطاقة الكامنة للجسم بازدياد ارتفاعه عن سطح الأرض.
- تزداد الطاقة الكامنة للجسم ازدياد كتلته في المكان ذاته.
أنواع الطاقة الكامنة
يتم تخزين الطاقة في الأجسام بأشكال متعددة، تتحرر نتيجة عوامل مختلفة متحولة إلى طاقة قد تكون حرارية أو حركية أو مغناطيسية…. كالتالي:
1 – الطاقة الكامنة الفيزيائية
في الفيزياء يتم تخزين الطاقة في الأجسام إما على شكل طاقة الجاذبية الكامنة أو طاقة كامنة مرنة.
الطاقة الكامنة للجاذبية
هي الطاقة المخزنة في جسم ما نتيجة وضعه الرأسي أو ارتفاعه عن سطح الأرض، حيث يتم تخزين هذه الطاقة في الجسم نتيجة كتلته، وموضعه في مجال الجاذبية الأرضية، وعندما تتحرك هذه الكتلة وتغير موقعها، تتحول طاقة الوضع إلى طاقة حركية تزداد مع زيادة كتلة الجسم.
طاقة الوضع المرنة
هي الطاقة التي يتم تخزينها في أجسام مرنة نتيجة ضغطها أو شدها مثل الترامبولين، الأربطة المطاطية، النوابض وكذلك الزنبرك الموجود في ساعة اليد غير الكهربائية، حيث تعمل الطاقة الكامنة المخزنة على تشغيل الساعة، وتزداد هذه الطاقة كلما زادت مرونة الأجسام أو قدرتها على التمدد ضمن مجالها المرن.
2 – طاقة الوضع الكهرطيسية
هي الطاقة التي يتم تخزينها في المجال الكهرطيسي للجسيمات المشحونة، وتتحول إلى طاقة كهربائية عندما تتحرك هذه الجسيمات، حيث نعلم من الفيزياء بأن المجال المغناطيسي المتغير يخلق حقلًا كهربائياً.
تستخدم الطاقة المتحررة من الطاقة الكامنة الكهرطيسية، في مجالات عدة مثل الأجهزة الكهربائية والإلكترونية والاتصالات والطاقة المتجددة.
3 – طاقة الوضع الكيميائي
هي الطاقة التي يتم تخزينها في الروابط الكيميائية ضمن المادة بناء على نوعها وطرق ارتباط ذراتها مع بعضها البعض، حيث يتم تحريرها نتيجة التفاعلات الكيميائية، وتتشكل مركبات جديدة أو تتحرر على شكل حرارة أو ضوء، كما في حال تعريض الوقود الأحفوري للنار حيث تتحرر الروابط الكيميائية وتتحول إلى حرارة.
تستخدم الطاقة المتحررة، عند حرق الوقود، لتشغيل الآلات مثل محركات السيارات، أو قد تستخدم في تدفئة المباني، كذلك تطلق المفرقعات النارية طاقة كيميائية عند إشعال فتيلها.
مثال آخر على الطاقة الكيميائية، الطاقة التي يتم اختزانها في الروابط الكيميائية في طعامنا. حيث يهضم جسمنا الطعام ويقوم بتكسير هذه الروابط الكيميائية ليوفر الطاقة اللازمة لأعضائه لأداء وظائفها المختلفة.
وأيضًا الطاقة المختزنة في الغاز الطبيعي، الخشب، التمثيل الضوئي والبطاريات الكيميائية.
4 – الطاقة الكامنة الكهربائية
هي نوع من الطاقة الكامنة التي يتم الحصول عليها من قوى كولوم الذي يصف التفاعل الكهرو ستاتيكي بين الجزيئات المشحونة كهربائيًا.
كمثال عليها، تخزين الطاقة الكهربائية والكيميائية في البطاريات، حيث تنتج البطاريات الكهرباء نتيجة لتفاعل كيميائي يحدث داخلها ويسبب عدم توازن في الشحنات مما ينتج عنه شحنة كهربائية بين طرفي البطارية، وكذلك الطاقة الكامنة في مصابيح الفلورسنت والتي تتحول إلى طاقة ضوئية.
5 – الطاقة الكامنة النووية
هي الطاقة التي يتم تخزينها في الذرات، والتي تحرر عندما تنقسم هذه الذرات كما في الإنشطار النووي، أو عندما تتحد، كما في الإندماج النووي، كما هو الحال في الشمس والقنابل الهيدروجينية.
كمثال على الطاقة النووية الكامنة، الطاقة التي تخزنها ذرات اليورانيوم والتي تتحرر في تفاعلات الانشطار الذري، حيث تستخدم الطاقة المتحررة في تشغيل المفاعلات النووية، كما يمكن استخدامها أيضًا في القنابل الذرية.
6 – الطاقة الكامنة الحرارية
هي الطاقة التي تختزن في الوقود كالغار أو البنزين أو المازوت، والتي تتحول نتيجة تفاعلات الإحتراق إلى حرارة أو إلى طاقة حركية.
أمثلة عن وجود الطاقة الكامنة في حياتنا
- كرة الهدم التي تستخدم في هدم الأبنية. تكتسب هذه الكرة طاقتها الكامنة عندما تقوم الرافعة بأرجحتها إلى ارتفاع معين وتقف لثانية في الهواء، ثم تعود هذه الطاقة لتحرر وتتحول إلى طاقة حركية عندما تعود وتكمل تأرجحها بالإتجاه المعاكس.
- الضغط على كرة اسفنجية بقوة بواسطة أصابع اليد حيث يتغير شكلها وتخزن طاقة كامنة مرنة، تساعدها في العودة إلى شكلها الأصلي عند تركها.
- يختزن الزنبرك أو الربيعة طاقة كامنة، عند ضغطه أو شده، تسمى الطاقة الكامنة المرنة التي تتحول إلى طاقة حركية عند تحريره.
- البندول، يقوم مبدأه على تعليق كرة معدنية صغيرة من محورها، وعندما نمسك به من أحد طرفيه ونرفعه إلى أقصى حد ممكن فإنه يخزن طاقة كامنة تتحول إلى طاقة حركية عند تحرره. ثم يتوقف لثانية عند أعلى نقطة من مساره. حيث تعود وتتحول هذه الطاقة الحركية إلى طاقة كامنة من جديد. تتكرر هذه العملية مرارًا وتكرارًا حتى يتوقف البندول.
- القوس والسهم، عندما يسحب رامي السهام الوتر للخلف، تكتسب الأطراف المرنة للقوس قدرًا من الطاقة الكامنة المرنة، تسهم في دفع السهم لاحقًا إلى الأمام عند تحريره.
- المياه في السدود والخزانات تختزن طاقة كامنة تتحول عند تدفقها إلى طاقة حركية تستخدم لأغراض مختلفة مثل توليد الكهرباء في محطات الطاقة الكهرومائية.
- الثلج المتراكم على قمم الجبال يختزن طاقة كامنة بسبب الجاذبية الأرضية، تتحول هذه الطاقة لاحقًا إلى طاقة حركية عنما تحدث الانهيارات الثلجية نتيجة تكسر هذا الغطاء الثلجي.
مسائل عملية عن حساب طاقة الوضع
يمكن حساب طاقة الوضع بالإعتماد على قانونها، وعلى المعاليم والمجاهيل الواردة في نص المسألة.
1 – طاقة الوضع مجهولة
احسب طاقة الوضع بالجول لكرة معدنية كتلتها (1 كغ)، عند رفعها إلى ارتفاع (10م) فوق سطح الأرض، علمًا أن تسارع الجاذبية الأرضية (g = 9.8 m/sec^2).
الحل:
E= m*g*h
جول 98 = 1 * 9.8 * 10 =
2 – ارتفاع الجسم مجهول
نطبق القانون:
طاقة الوضع = كتلة الجسم * ارتفاعه عن سطح الأرض * g
9800 = 100* h * 9.8
م h= (9800/ 9.8 * 100) = 10
3 – كتلة الجسم مجهولة
احسب كتلة جسم تحمله رافعة على ارتفاع 25 م، إذا علمت أنه يمتلك طاقة وضع على هذا الإرتفاع تساوي 5000 جول، وأن قيمة الجاذبية الأرضية (m/sec^2) 9.8؟
الحل:
طاقة الوضع= الكتلة * ارتفاع الجسم * تسارع الجاذبية الأرضية
E = m * g * h
m = E/ (g * h)
كغ 20.4 = (25* 9.8)/ 5000 = m
4 – القوة المؤثرة على النابض مجهولة
احسب القوة المؤثرة على نابض كان مقدار التغير في طوله (L)= 10 سم، وثابت النابض (K) يساوي 720؟
Fs= k * L
Fs= 720 * 10= 7200 N
5 – مقدار تمدد النابض مجهول
احسب مقدار تمدد نابض عندما يتعرض لقوة تساوي 8400 نيوتن، إذا علمت أن ثابت النابض 640؟
Fs= k * L
8400= 640 * L
L= 8400/640 = 13.1 cm
المصادر
- 12 مثال عن الطاقة الكامنة في الحياة اليومية | studiousguy
- ما هي الطاقة الكامنة؟ | livescience
- الكهرومغناطيسية | ويكيبيديا
- الطاقة الكامنة | byjus
- تعريف الطاقة الكامنة وصيغ حسابها | thoughtco
