مفهوم طاقة الوضع

تُعرف طاقة الوضع (بالإنجليزية: Potential Energy) أيضًا باسم الطاقة الكامنة، وهي الطاقة المُخزنة داخل الأجسام المختلفة، وهي تعتمد على وضع الجسم أو حالته نسبةً إلى وضع أو حالة الأجسام الأخرى التي توجد معه في نفس النظام.[١]


على سبيل المثال، تمتلك الكرة الفولاذية طاقة وضع أكبر وهي مرفوعة عن سطح الأرض من طاقة الوضع التي تمتلكها عند سقوطها على سطحها، أي أن طاقة الوضع للكرة الفولاذية تختلف باختلاف موقع الكرة بالنسبة لسطح الأرض، أما الزنبرك فهو يمتلك طاقة وضع أكبر عند ضغطه أو شده، مما لو كان في وضع الراحة العادي، أي أن طاقة وضعه تختلف باختلاف حالته، وبالمثل، فإن القوس المسحوب يستطيع تخزين طاقة وضع أكبر كنتيجة لموقعه، مما لو كان في وضع الراحة (أي عند عدم سحبه).[١][١]




طاقة الوضع أو الطاقة الكامنة هي خاصية لنظام كامل وليس لجسم فردي، وتجدر الإشارة إلى أنه يمكن تحويل الطاقة الكامنة إلى طاقة حركة، تسمى الطاقة الحركية، وبالتالي إلى أشكال أخرى من الطاقة، مثل الطاقة الكهربائية.




طاقة وضع الجاذبية وقانون حسابها

عند رفع جسم لمسافة معينة عن سطح الأرض فإنه يخزن طاقة وضع تعرف باسم طاقة وضع الجاذبية (بالإنجليزية: Gravitational Potential Energy)، إذ يتم تخزين الطاقة في الجسم كنتيجة لجاذبية الأرض له، ويعتمد مقدار هذه الطاقة على عاملين، هما، كتلة الجسم، وارتفاع الجسم عن سطح الأرض، فالأجسام الأكبر كتلة، تمتلك طاقة وضع أكبر، بالإضافة إلى أن طاقة الوضع تزداد بازدياد ارتفاع الجسم عن الأرض، ويمكن التعبير عن ذلك باستخدام العلاقة الرياضية الآتية:[٢][٣]


طاقة وضع الجاذبية = كتلة الجسم × تسارع الجاذبية الأرضية × ارتفاع الجسم عن الأرض

بالرموز:

PEgrav = m × g × h


حيث إن:

  • PEgrav: طاقة وضع الجاذبية، وتقاس بوحدة الجول.
  • m: كتلة الجسم، وتقاس بوحدة الكيلو جرام.
  • g: ارتفاع الجاذبية الأرضية، وهو قيمة ثابتة مقدارها 9.81 متر/ ثانية2، وعادةً ما يتم تقريبها إلى 10 متر، ثانية لتسهيل حل المسائل الحسابية.
  • h: ارتفاع الجسم عن سطح الأرض، ويقاس بوحدة المتر.




إذا تم وضع الجسم على سطح الطاولة واعتبار سطحها هو الموضع الصفري، فإن ارتفاع الجسم (h)، يكون عبارة عن ارتفاعه عن سطح الطاولة، وليس عن سطح الأرض.




طاقة الوضع المرونية وقانون حسابها

طاقة الوضع المرونية (بالإنجليزية: Elastic Potential Energy) هي الطاقة التي يتم تخزينها في المواد المرنة عند شدها أو ضغطها، مثل الزنبرك، والأربطة المطاطية، والترامبولين، والسهم المثبت في القوس، وما إلى ذلك، أما القانون المستخدم لحساب طاقة الوضع المرونية فهو كالآتي:[٢][٣]


طاقة الوضع المرونية = 0.5 × ثابت الزنبرك × مقدار الضغط2

بالرموز:

PEspring = 0.5 × k × x2


حيث إن:

  • PEgrav: طاقة وضع المرونية، وتقاس بوحدة الجول.
  • k: ثابت الزنبرك، ويقاس بوحدة نيوتن / متر.
  • x: مقدار الضغط، أو الإزاحة، أو مقدار التغير في طول الزنبرك نسبة إلى موضع التوازن، ويقاس بوحدة المتر.


أمثلة على حساب طاقة الوضع

فيما يأتي بعض الأمثلة التي توضح كيفية حساب طاقة الوضع، أو الطاقة الكامنة في الأجسام:[٢]


السؤال:

عربة محملة بالطوب، يتم سحبها بسرعة ثابتة على طول مستوى مائل، حتى قمته، إذا كانت كتلة العربة المحملة تساوي 3 كيلو جرامات، وكان ارتفاع السطح المائل هو 0.45 مترًا، احسب طاقة الوضع للعربة المحملة عند قمة السطح المائل.



الحل:

طاقة وضع العربة = كتلة العربة × تسارع الجاذبية الأرضية × الارتفاع

طاقة وضع العربة = 3 × 9.81 × 0.45

طاقة وضع العربة = 13.2 جول





السؤال:

تم ضغط زنبرك بمقدار 0.63 متر عن موضعه الأصلي، فإذا علمت أن مقدار ثابت الزنبرك له هو 200 نيوتن/ متر، أوجد طاقة الوضع المرونية له.



الحل:

طاقة الوضع المرونية = 0.5 × ثابت النابض × مقدار الضغط2

طاقة الوضع المرونية = 0.5 × 200 × (0.63)2

طاقة الوضع المرونية = 39.69 جول




المراجع

  1. ^ أ ب ت "potential energy", britannica, Retrieved 12/1/2023. Edited.
  2. ^ أ ب ت "Potential Energy", physicsclassroom, Retrieved 12/1/2023. Edited.
  3. ^ أ ب "Potential Energy Definition and Formula", thoughtco, Retrieved 12/1/2023. Edited.