ما هي طاقة الوضع

تعريف طاقة الوضع

تُعرف طاقة الوضع أو الطاقة الكامنة على أنها الطاقة المُخزّنة داخل الأجسام، التي تعتمد على وضع الجسم النسبي نسبة إلى بقية الأجسام في النظام ذاته، فالنابض يمتلك طاقة وضع كبيرة عندما يكون مضغوطًا أو ممتدًا، والكرة الفولاذية تمتلك طاقة وضع أكبر عندما تكون على ارتفاعات عالية منها وهي على سطح الأرض، وطاقة الوضع هي خاصية للنظام بأكمله وليست للأجسام بصفة فردية.

قانون طاقة الوضع

عند رفع كتلة ما بمقدار مسافة معينة من الأرض، فإن القانون الذي يتم من خلاله حساب طاقة الوضع لهذا الجسم هو:

طاقة الوضع = الكتلة × ارتفاع الجسم × تسارع الجاذبية الأرضية.

وبالرموز؛

ط و= ك × ع × ت

إذ تشير الرموز إلى ما يأتي:

• ط و: طاقة الوضع تُقاس بوحدة الجول.
• ك: كتلة الجسم تُقاس بوحدة الكيلوغرام (كغ).
• ع: ارتفاع الجسم يُقاس بوحدة المتر (م).
• ت: تسارع الجاذبية يُقاس بوحدة م/ث2.

أما بالنسبة للنابض، فإن القوة المؤثرة فيه تُحسب باستخدام قانون هوك، إذ إن القوة تتناسب طرديًا مع مقدار الضغط والتمدد للنابض، والقانون هو:

القوة = ثابت النابض × مقدار الضغط أو التمدد.

وبالرموز؛ ق = ض × س

إذ تشير الرموز إلى الآتي:

• ق: طاقة وضع النابض.
• ض: ثابت النابض.
• س: مقدار التمدد أو الاستطالة.

عوامل تؤثر في طاقة الوضع

من خلال قانون حساب طاقة الوضع، فإنه يمكن استنتاج العوامل المؤثرة التي تحدد طاقة وضع الجسم، وهي كما يأتي:

• كتلة الجسم: كلما زادت كتلة الجسم، زادت الطاقة الكامنة للجسم، أي أن العلاقة بينهما طردية.
• ارتفاع الجسم: يؤثر ارتفاع الجسم عن سطح الأرض في طاقة الوضع، فكلما زاد ارتفاع الجسم، زادت طاقة الوضع له.

أمثلة من حياتنا اليومية على طاقة الوضع

تتمثل طاقة الوضع في العديد من الأمثلة الحياتية اليومية، ومن ذلك:

• كرة ساكنة فوق طاولة ما: تُسمى طاقة الوضع في هذه الحالة طاقة الوضع بفعل الجاذبية، وذلك لأن الطاقة التي تمتلكها تعود إلى موقعها العامودي، وكلما زادت كتلة الجسم، زادت طاقة وضع الجاذبية التي يكتسبها.
• سحب السهم في القوس: تُدعى طاقة الوضع في هذه الحالة طاقة وضع مرنة، وهي الطاقة التي يكتسبها نتيجة تمدده وانضغاطه، وبالنسبة للمواد المرنة، فإن طاقة الوضع تزداد بزيادة التمدد.
• الروابط الكيميائية التي تمتلكها الذرات: كنتيجة لتباعد أو تقارب الإلكترونات في الذرة، تحتوي على طاقة وضع يعبّر عنها إلكترونيًا بالجهد الكهربائي.

أشكال طاقة الوضع

تُخزّن الأجسام التي تمتلك طاقة وضع هذه الطاقة في أجسامها بعدة طرق، قبل أن يتم تحرير الطاقة الكامنة، ومن أهم أشكال طاقة الوضع ما يأتي:

طاقة الوضع الكيميائية

في الكيمياء، يتم تخزين طاقة الوضع في الروابط الكيميائية، وتعمل التفاعلات الكيميائية على تحرير الطاقة عن طريق تكوين مركبات جديدة أو إنتاج الضوء أو الحرارة.

طاقة الوضع الفيزيائية

في الفيزياء، يتم تخزين طاقة الوضع إما في طاقة الجاذبية، أو ما يُعرف بطاقة الوضع المرونية، وطاقة الجاذبية، إذ إنها تنشأ نتيجة لوضع جسم يمتلك كتلة ما في مكان مرتفع عن سطح الأرض، وكلما زادت كتلة الجسم، زادت الطاقة الكامنة في داخله، وعندما يسقط، يتم تحرير الطاقة الكامنة من داخله، وتتحول إلى طاقة حركية.

أما بالنسبة لطاقة الوضع المرونية، فعادة ما يتم تخزينها في التشوه الحاصل لشكل الجسم في بنيته، فعند ضغط الزنبرك ثم تحريره، قد تعمل طاقة الوضع المحررة على إحداث الضرر.

طاقة الوضع الكهربائية

تخزّن البطاريات في داخلها الطاقة الكهربائية والكيميائية، فآلية عمل البطاريات تعتمد على التفاعلات الكيميائية التي تحدث داخلها، والتي تخلق اختلالًا في الإلكترونات يعمل على إنتاج شحنة كهربائية على أطراف البطارية.

مسائل حسابية على طاقة الوضع

فيما يأتي أمثلة حسابية على قانون طاقة الوضع:

إذا كانت طاقة الوضع مجهولة

يوجد جسم في أعلى بناية ارتفاعها 20 (م) عن سطح الأرض، وكتلته تساوي 60 (كغ)، أوجد طاقة وضع الجسم وهو على هذا الارتفاع.

الحل:

• تساوي قيمة الجاذبية الأرضية 9.8 (م/ث2).
• بالتعويض في القانون التالي: طاقة الوضع= الكتلة × ارتفاع الجسم × تسارع الجاذبية الأرضية.
• طاقة الوضع = 60× 20× 9.8.
• طاقة الوضع = 11760 جول.

إذا كان ارتفاع الجسم مجهولًا

يوجد جسم كتلته 40 (كغ) وطاقة وضعه تساوي 2160 جول، فعلى أي ارتفاع يوجد الجسم؟

• تساوي قيمة الجاذبية الأرضية 9.8 (م/ث2).
• بالتعويض في القانون التالي: طاقة الوضع = الكتلة × ارتفاع الجسم × تسارع الجاذبية الأرضية.
• 2160 = 40× 9.8× الارتفاع.
• 2160 = 392 × الارتفاع.
• الارتفاع = 2160/ 392 = 5.5 م.

إذا كانت كتلة الجسم مجهولة

ما هي كتلة جسم تحمله رافعة على ارتفاع 15م، ويحوي طاقة وضع تساوي 4500 جول؟

• تساوي قيمة الجاذبية الأرضية 9.8 (م/ث2).
• بالتعويض في القانون التالي: طاقة الوضع= الكتلة × ارتفاع الجسم × تسارع الجاذبية الأرضية.
• 4500 = الكتلة× 15× 9.8.
• 4500 = الكتلة × 147.
• الكتلة = 4500/ 147 = 30.6 كغ.

إذا كانت القوة المؤثرة على النابض مجهولة

كم تساوي القوة المؤثرة على نابض كان مقدار التغير في طوله 6 سم، وثابت النابض يساوي 720؟

• بالتعويض في القانون التالي: ق = ض× س.
• ق= 720× 6 = 4320 نيوتن.

إذا كان مقدار تمدد النابض مجهولًا

ما مقدار الإزاحة التي قام بها النابض عند تعرضه لقوة تساوي 5400 نيوتن، وثابت النابض يساوي 640؟

• بالتعويض في القانون التالي: ق = ض × س.
• 5400 = 640× س.
• س= 5400/ 640 = 8.4 م.