الطاقة والحركة: مفاهيم أساسية

مقدمة عن الطاقة

منذ القدم، ارتبط مفهوم الطاقة بقدرة الجسم على القيام بعمل ما، سواء كان ذلك العمل عبارة عن دفع، سحب، ضغط، أو حتى تمدد. تعتبر الطاقة مفهوماً أساسياً في الفيزياء، وتشمل مجموعة واسعة من الظواهر والتطبيقات.

تعريف الطاقة

تعرف الطاقة (Force) في علم الفيزياء على أنها مؤثر خارجي يؤثر على جسم ما، مما يؤدي إلى تغيير في حالته الحركية، سواء كان في حالة سكون أو حركة. الطاقة لها مقدار واتجاه محددين، وتقاس بوحدة تسمى النيوتن (N)، وهي نسبة إلى العالم الفيزيائي إسحاق نيوتن.

أشكال الطاقة

توجد في الطبيعة أربعة أنواع أساسية للطاقة:

• طاقة الجاذبية: الطاقة التي تنشأ بين الأجسام المختلفة. مثال على ذلك سقوط الأجسام على سطح الأرض نتيجة لقوة جذب الأرض لها، ودوران الكواكب حول الشمس بسبب قوة جذب الشمس لها. وقد قام العالم إسحاق نيوتن بتعريف هذه الطاقة في القرن السابع عشر.
• الطاقة الكهرومغناطيسية: الطاقة التي تنشأ نتيجة لتجاذب أو تنافر الشحنات الكهربائية، وتستخدم في تفسير السلوك الكيميائي للمادة وخصائص الضوء. وقد قام العالم جيمس كليرك ماكسويل بتعريفها في القرن التاسع عشر.
• الطاقة النووية:
  • الطاقة النووية القوية: طاقة تنشأ بين مكونات الجسيمات الصغيرة، مثل البروتونات والنيترونات، وتساهم في ربط البروتونات والنيترونات معًا في الذرة. اكتشفها الفيزيائيون في القرن العشرين أثناء دراستهم لب структуры الذرة.
  • الطاقة النووية الضعيفة: طاقة تنشأ وتؤثر في الإلكترونات، وتتجلى في أشكال محددة من تفاعلات الانحلال الإشعاعي، والتفاعلات النووية التي تحدث في الشمس والنجوم الأخرى.

تقديم حول الحركة

تتواجد الحركة في جميع الأنظمة الفيزيائية المختلفة، سواء كانت جسيمات مادية، إشعاع، أجسام، أو انحناءات. وتتنوع أشكال وأنواع الحركة، وهو ما سنتناوله بالتفصيل.

تعريف الحركة

تعرف الحركة (Motion) بأنها التغير في موضع الجسم أو اتجاهه مع تغير الزمن. يتم تحديد حركة جسم ما بالنسبة إلى نقطة مرجعية من خلال قياس التغير في موضع الجسم بالنسبة لتلك النقطة.

أنماط الحركة

تصنف الحركة إلى أربعة أنواع وفقًا لمسار الجسم أو العلاقة بين المسافة التي يقطعها والزمن:

• حركة خطية: حركة الجسم عندما ينتقل من موضع إلى آخر خلال فترة زمنية معينة. قد تكون الحركة الخطية على مسار مستقيم أو على مسار منحني. أمثلة: حركة السيارة على الطريق، حركة القطار على السكة الحديدية، سقوط ثمرة من الشجرة.
• حركة دائرية: حركة الجسم عندما يدور حول محوره. أمثلة: دوران الأرض حول محورها، دوران المروحة، دوران عجلة القيادة في السيارة.
• حركة دورية: الحركة التي تتكرر خلال فترات زمنية متساوية. أمثلة: ارتداد الكرة، موجات الماء، حركة الكرسي الهزاز.
• حركة تذبذبية: حركة الجسم عندما يتحرك ذهابًا وإيابًا حول موضع معين، مع تكرار الدورة في زمن معين. أمثلة: حركة البندول، حركة الموجات الصوتية.

الترابط بين الطاقة والحركة

ترتبط الحركة والطاقة ارتباطًا وثيقًا. الطاقة هي المسؤولة عن تحريك الأجسام، أو إيقافها، أو تسريع حركتها أو إبطائها. عند تطبيق مقدار معين من الطاقة على جسم ساكن، فإنها ستغير من موضعه مما يتسبب في حركته.

تجدر الإشارة إلى أن الطاقة المحصلة هي التي تؤثر على حركة الجسم. عند وجود أكثر من طاقة مؤثرة في نفس الوقت، ينشأ عن مجموعها طاقة تسمى بالطاقة المحصلة. عندما تكون قيمة هذه الطاقة تساوي صفرًا، فإن الجسم سيبقى ثابتًا في مكانه. أما إذا كانت تساوي قيمة محددة، فسيتحرك الجسم بناءً على هذه القيمة، إما بحركة تسارع أو حركة تباطؤ.

يمكن للطاقة التأثير على حركة الجسم بعدة أشكال:

• تسريع حركة الجسم.
• إبطاء حركة الجسم.
• تغيير اتجاه حركة الجسم.
• إيقاف الجسم عن الحركة.
• تغيير شكل وحجم الجسم.

قوانين نيوتن في الطاقة والحركة

وضع العالم إسحاق نيوتن ثلاثة قوانين تصف العلاقة بين الطاقات المؤثرة على الجسم وحركته.

قانون نيوتن الأول

يعرف أيضًا باسم قانون القصور الذاتي (بالإنجليزية: The law of inertia)، وينص هذا القانون على أن:

“الجسم الساكن يبقى ساكنًا، والمتحرك يبقى كذلك ما لم تؤثر عليه قوة تغير من حالته تلك.”

بمعنى آخر، الجسم يتحرك فقط عندما تؤثر عليه طاقة خارجية، لذا فإنه يبقى ساكنًا عند غيابها.

قانون نيوتن الثاني

ينص قانون نيوتن الثاني على أنه:

“عند تأثير قوة ما على كتلة جسم، فإنها تتسبب في تغيير حالته الحركية من السكون إلى الحركة بمرور الوقت، بحيث يَكون اتجاه حركته في نفس اتجاه القوة المؤثرة عليه.”

ويستخدم هذا القانون في دراسة حركة الأجسام المتحركة والساكنة.

يعتمد تسارع حركة الجسم (بالإنجليزيّة: Acceleration) على عاملين رئيسيين، هما: الطاقة الكلية المؤثرة على الجسم، وكتلة الجسم. وطبقًا للصيغة الرياضية لقانون نيوتن الثاني فإن تسارع الجسم يَتناسب طرديًا مع الطاقة، وعكسيًا مع الكتلة وهو ما توضحه العلاقة الرياضية الآتية:

الطاقة = الكتلة × التسارع

وبالرموز:

ق = ك × ت

حيث إنّ:

• ق: الطاقة المؤثرة على الجسم تُقاس بوحدة نيوتن.
• ك: كتلة الجسم تُقاس بوحدة كغ.
• ت: تسارع الجسم يُقاس بوحد م/ث².

قانون نيوتن الثالث

يعرف قانون نيوتن الثالث أيضًا باسم قانون الفعل ورد الفعل، وينص على أنه:

“عند تأثير جسم على آخر بقوة معينة، فإن الجسم الثاني سيؤثر على الجسم الأول بقوة مساوية لها في المقدار ومعاكسة لها في الاتجاه.”

ويستخدم هذا القانون في تحليل مسائل التوازن.

تنشأ الطاقة بحسب هذا القانون نتيجة تفاعل الأجسام فيما بينها، وتؤثر على حركة الجسم بنفس اتجاهها، فعلى سبيل المثال، عندما تستخدم سمكة ما زعانفها لتتحرك للأمام، فإن مقدار الطاقة التي تبذلها تساوي مقدار الطاقة التي يبذلها الماء لتحريك السمكة، ولكن في الاتجاه المعاكس لحركتها.

تمارين على الطاقة والحركة

إيجاد قيمة التسارع

المثال (1): إذا كان هناك صندوق كتلته 2 كغ، وتؤثر عليه قوة مقدارها 30 نيوتن في الاتجاه الموجب للمحور x، وقوة أخرى مقدارها 20 نيوتن في الاتجاه السالب للمحور x، فما هي قيمة واتجاه تسارع الصندوق؟

الحل:

• المعطيات:
  • القوة الأولى = 30 نيوتن
  • القوة الثانية = 20 نيوتن
  • كتلة الصندوق = 2 كغ
• القانون: القوة المحصلة = الكتلة × التسارع
• إيجاد القوة المحصلة: القوة المحصلة = القوة الأولى – القوة الثانية = 30 – 20 = 10 نيوتن باتجاه المحور x الموجب.
• التعويض: 10 = 2 × التسارع
• الناتج: التسارع = 5 م/ث² في اتجاه المحور x الموجب

المثال (2): تأثرت سماح بقوة مقدارها 1800 نيوتن أثناء ركوبها للعبة العجلة الدوارة التي ركبتها عندما ذهبت في رحلة فيزياء ميدانية مع مدرستها، فإذا كانت كتلتها 52 كغ فما هو مقدار تسارعها؟

الحل:

• المعطيات:
  • القوة المؤثرة = 1800 نيوتن
  • الكتلة = 52 كغ
• القانون: القوة = الكتلة × التسارع
• التعويض: 1800 = 52 × التسارع
• الناتج: التسارع = 34.6 م/ث²

حساب مقدار الطاقة المؤثرة

المثال (1): دفع عامل إسطوانة من الحديد كتلتها 100 كغ بقوة معينة، فتسارعت بمقدار 4 م/ث²، فما هي القوة التي دفع بها العامل الإسطوانة؟

الحل:

• المعطيات:
  • التسارع = 4 م/ث²
  • كتلة الاسطوانة = 100 كغ
• القانون: الطاقة = الكتلة × التسارع
• التعويض: الطاقة = 100 × 4
• الناتج: الطاقة = 400 نيوتن

المثال (2): إذا كانت هناك سيارة كتلتها 500 كغ تسير بتسارع مقداره 7 م/ث² على طريق سريع، فما هو مقدار الطاقة التي تحقق هذا التسارع؟

الحل:

• المعطيات:
  • كتلة السيارة = 500 كغ
  • التسارع = 7 م/ث²
• القانون: الطاقة = الكتلة × التسارع
• التعويض: الطاقة = 500 × 7
• الناتج: الطاقة = 3500 نيوتن

إيجاد حجم الجسم

المثال: تؤثر قوة مقدارها 4000 نيوتن على شاحنة، ما تجعلها تسير بتسارع يبلغ 5 م/ث² على الطريق، فما هي كتلة الشاحنة التي تحقق هذا التسارع؟

الحل:

• المعطيات:
  • التسارع = 5 م/ث²
  • الطاقة = 4000 نيوتن
• القانون: الطاقة = الكتلة × التسارع
• التعويض: 4000 = الكتلة × 5
• الناتج: الكتلة = 800 كغ