الطاقة الكامنة Potential Energy
- الطاقة الكامنة Potential Energy هي طاقة يختزنها الجسم وتسمح له بإنجاز شغل للتخلّص منها .
- هناك طاقة كامنة داخل المركبات الكيميائية وهي موجودة مثلاً في الفحم الحجري، وفي البطاريات الكهربائية، وفي الغذاء الذي تتناوله وغيرها.
- تختزن الأجسام طاقة كامنة تثاقلية مرتبطة بموقعها بالنسبة إلى سطح مرجعي وطاقة كامنة مرنة تسمح للجسم المرن بالعودة إلى وضع مستقرّ بعد أن يتخلص من طاقة أكسبته وضعًا جديدًا قد يكون انكماشاً أو استطالة.
(1) الطاقة الكامنة المرنة Elastic Potential Energy
- لنأخذ زنبركًا مثبتاً من أحد طرفيه ونسحبه بإزاحة Δx من موضع سكونه.
- الشغل المبذول عليه نتيجة القوّة المتغيرة، التي تتناسب طردياً مع استطالته تساوي:
يختزن هذا الشغل المبذول في الزنبرك على شكل طاقة كامنة مرنة تجعل الزنبرك يعود إلى وضعه الأصلي عند إفلاته.
- بالتالي يمكننا استنتاج اختزان الطاقة المرنة في الأجسام يحدث عند شدّها أو ضغطها أو ليها وهي تساوي الشغل الذي بُذل لتغيير وضعها من وضع مستقر إلى وضع الاستطالة أو الانكماش أو اللي .
- يُحسب مقدار الطاقة الكامنة المرنة بالعلاقة التالية:
- أما إذا تم لي جسم مثبت إلى خيط مطاطي مرن بإزاحة زاوية مقدارها Δθ من وضع سكون كما بالشكل التالي
فإنّ الطاقة الكامنة المرنة المختزنة في الخيط المطاطي والتي تسمح للنظام بالعودة إلى وضعه الأولي تُحسب بالعلاقة التالية:
حيث C تساوي ثابت مرونة الجسم المرن والذي يعتمد على طول الخيط وسماكته وعلى الخصائص الميكانيكية للجسم المرن، وتُقاس بحسب النظام الدولي للوحدات بوحدة N.m/rad2.
(2) الطاقة الكامنة (الوضع) التثاقلية
Gravitational Potential Energy
- يكتسب جسم ما ، إذا رُفع إلى ارتفاع (h) عن سطح الأرض، طاقة كامنة تثاقلية في موقعه الجديد، وبالتالي يستطيع بذل شغل إذا سُمح له بالسقوط .
- ولعل من أشهر الأمثلة على الطاقة الكامنة التثاقلية هي الشلالات، فالمياه في أعلاها تملك طاقة كامنة تمكّنها من بذل شغل أثناء هبوطها.
- بالتالي، فإن الطاقة الكامنة في جسم في موقعه حدّدت قدرته على إنجاز شغل.
- لا بد إذا من بذل شغل على الجسم لرفعه إلى موضع معين، فيكتسب بذلك طاقة كامنة . وبالتالي الشغل المبذول على الجسم لرفعه إلى نقطة ما يساوي الطاقة الكامنة له عند هذه النقطة:
حيث تعبر F عن مقدار القوة المؤثرة في الجسم وتُعادل وزنه، وتعبر h عن ارتفاع الجسم عن سطح الأرض.
يُلاحظ عند حساب الطاقة الكامنة التثاقلية أنّها تُنسب إلى سطح الأرض، وبذلك تساوي طاقة الجسم الكامنة وهو على سطح الأرض (0 = h) صفرًا. ويُسمّى مستوى سطح الأرض في هذه الحالة (المستوى المرجعي) أي المستوى الذي نبدأ منه قياس الطاقة الكامنة ، وتساوي الطاقة الكامنة عنده صفرًا لأي جسم.
- من المعروف أن تحديد المستوى المرجعي، اختياري بحت، فأثناء وجودنا في مختبر المدرسة يمكننا اعتبار المستوى المرجعي هو أرضية المختبر ، ونبدأ منها حساب الطاقة الكامنة، على الرغم من أن المختبر قد يكون في الطبقة الثانية من مبنى المدرسة ، وعليه فإن الطاقة الكامنة التثاقلية ترتبط بارتفاع الجسم عن المستوى المرجعي كما في الشكل التالي:
- نستنتج من الشكل السابق أنّ الطاقة الكامنة التثاقلية للحجر لا ترتبط بكيفية الوصول إلى ارتفاع معيّن، ولكن بالمسافة الرأسية بين هذا المكان والمستوى المرجعي.
- الجدول التالي يبين مقارنة بين الطاقة الكامنة المرنة والطاقة الكامنة التثاقلية كما يلي:
