نص قانون حفظ الطاقة
يُعدّ قانون حفظ الطاقة (بالإنجليزية: Energy)، أو مبدأ بقاء الطاقة من أهم القوانين الفيزيائية، والذي ينص على أنّ " الطاقة لا تختفي ولا تتلاشى ولا تنشأ من لا شيء؛ بل تتحول من شكل إلى آخر، وهذا يعني أنّ الطاقة الكلية للنظام المعزول تبقى ثابتة ولا تنتهي، و الطاقة الموجودة في الأجسام متعددة ومنها؛ الطاقة الحركية، والطاقة الحرارية، والطاقة الكهربائية، والطاقة الميكانيكية.
وحيث أنّ الكتلة والطاقة مفهومان متشابهان، فكل جسم يمتلك طاقة تتناسب مع كتلته، و يمكن لأيّ كتلة أن تتحول إلى طاقة والعكس صحيح ، فعلى سبيل المثال في التفاعلات النووية تختفي المادة كلها أو بعضها متحولةً إلى طاقة حرارية بسرعة مساوية لسرعة الضوء. ويُمكن التعبير عن قانون حفظ الطاقة رياضيًا على أنّ طاقة أيّ جسم تساوي مقدار ضرب كتلته في القيمة التربيعية لسرعة الضوء، ويُعبّر عنها بالمعادلة الآتية :
قانون حفظ الطاقة = كتلة الجسم × سرعة الضوء^2
وبالرموز:
ط = ك × س2
حيث أنّ:
ط: الطاقة وتقاس بوحدة الجول.
ك: الكتلة وتقاس بوحدة الكيلو غرام.
س: سرعة الضوء والتي مقدارها 3 * 8ˆ10، بوحدة م/ث.
قانون حفظ الطاقة الميكانيكية
يشبه قانون حفظ الطاقة الميكانيكية، قانون حفظ الطاقة العام، إلّا أنّه يختص بالطاقة الميكانيكية، والتي هي مجموع الطاقة الحركية وطاقة الوضع في الأجسام، وينص قانون حفظ الطاقة الميكانيكية على أنّ الطاقة الميكانيكية الموجودة في نظام مُغلق تبقى كما هي وبنفس المقدار، إلّا في حال وجود قُوى تبديد كالاحتكاك ومقاومة الهواء، والتي تُخرجها خارج النظام وتحولها إلى أشكالٍ أخرى.
ويحدث لنظام الطاقة المغلق مجموعة من التحوّلات في أشكال الطاقة الميكانيكية (بالإنجليزية؛Mechanical Energy)، من طاقة كامنة إلى طاقة حركية والعكس، على سبيل المثال كل جسم له طاقة كامنة داخله وهو في حالة السكون وهي ما تسمى أيضًا بطاقة الجاذبية الكامنة أو طاقة الوضع، وفي حال تعرض هذا الجسم لقوةٍ ما ستتحول هذه الطاقة الكامنة لنوع آخر من الطاقة كالطاقة الحركية. و يُعبّر عن قانون حفظ الطاقة الميكانيكية رياضيًا كالآتي:
الطاقة الميكانيكية= الطاقة الحركية طاقة الوضع
وبالرموز:
طم = طح طو
حيث أنّ:
طم : الطاقة الميكانيكية وتقاس بوحدة الجول.
طح : الطاقة الحركية وتقاس بوحدة الجول.
طو : طاقة الوضع وتقاس بوحدة الجول.
ويوجد نوعان من الطاقة الميكانيكية وهما كالآتي:
- الطاقة الحركية: (بالإنجليزية: Kinetic energy) ، هي الطاقة الموجودة في الأجسام المتحركة، والتي تُساعدها على الحركة والتنقل من موضع إلى آخر، ويُمكن ملاحظة تأثيرها عند اصطدام كرة مُتحركة بجسمٍ ما.
- طاقة الوضع: (بالإنجليزية: Potential energy)، هي الطاقة المخزنة في الأجسام بسبب وقوعها تحت تأثير معين، كالطاقة الكامنه في جسم ما بسبب ارتفاعه عن سطح الأرض، أو بسبب تعرضه للضغط، أو الثني، أو الشد، كالشريط المطاطي مثلاً، ويُطلق عليها أيضًا اسم الطاقة الميكانيكية المُخزّنة.
أمثلة حياتية على قانون حفظ الطاقة
يوجد في الحياة اليومية أمثلة كثيرة على قانون حفظ الطاقة، ومنها ما يأتي:
- المصباح الكهربائي: والذي عند تشغيله يبدأ التيار الكهربائي بالتدفق، ليُسبب بذلك إضاءة المصباح، إذ تتحوّل في هذه الحالة الطاقة الكهربائية إلى طاقة ضوئية.
- التصادم: يُسبب اصطدام جسم متحرك بجسم ساكن في انتقال الطاقة من الجسم المتحرك إلى الجسم الساكن ليسبب في تحركه من موضعه، إذ لا يمكن للطاقة الحركية التلاشي فجأة.
- سقوط الأجسام: تمتلك الأجسام طاقة كامنة عندما تكون على ارتفاع معين عن الأرض، فحينما تسقط الأجسام سقوطًا حرًا من موضعها تتأثر بشكل كبير بالجاذبية الأرضية(بالإنجليزية:Gravity)، لتتحول بذلك الطاقة من طاقة كامنة إلى طاقة حركية.
- حرق الخشب: يوجد في الخشب طاقة كامنة، والتي تتحول إلى طاقة ضوئية وحرارية في حال تعرّض الخشب للحرق.
- طرق الطبول: الطرق على الطبول يُكسبها طاقة ميكانيكية، والتي تتحول باستمرار الطَرق إلى طاقة صوتية.
- البطارية: تحتوي البطارية في خلاياها الداخلية على مواد كيميائية، وفي حال تعرّض هذه المواد لتفاعلات معينة، تتكون الطاقة الكيميائية(بالإنجليزية: Chemical Energy)، والتي بدورها تتحول لطاقة كهربائية.
تُعدّ الطاقة من العناصر الأساسية المهمة للحياة على الأرض، وتوجد الطاقة في كل الأجسام بنسب ثابتة إذ لا يمكن أن تتغير أو تختفي، بل إنّها تتحول من شكل إلى آخر فيما يُعرف بقانون حفظ الطاقة، والذي يتفرع منه قانون حفظ الطاقة الميكانكية، والذي يوضّح أنّ الطاقة تتحول من الطاقة الكامنة إلى الطاقة الحركية في نظام مُغلق، وتتحول الطاقة إلى أشكال متعددة كالطاقة الحركية، والضوئية، والكيميائية، والكهربائية، والحرارية.
