الطاقة الحركية والطاقة الكامنة: مبدأ حفظ الطاقة – العلوم الفيزيائية — السنة الثانية ثانوي (شعبة علوم تجريبية) — المنهاج الجزائري

الطاقة الحركية والطاقة الكامنة: مبدأ حفظ الطاقة

الطاقة هي القدرة على إحداث تغيير أو إنجاز شغل. توجد الطاقة في أشكال متعددة، وأهمها الطاقة الحركية والطاقة الكامنة. ينص مبدأ حفظ الطاقة على أن الطاقة لا تفنى ولا تستحدث من عدم، بل تتحول من شكل إلى آخر.

الطاقة الحركية (Kinetic Energy)

هي الطاقة التي يمتلكها الجسم بسبب حركته. تعطى بالعلاقة:
KE = ½ mv²
حيث KE الطاقة الحركية (جول)، m الكتلة (كغ)، v السرعة (م/ث).

مثال: سيارة كتلتها 1000 كغ تسير بسرعة 20 م/ث (72 كم/س). طاقتها الحركية = ½ × 1000 × (20)² = 200,000 جول. إذا تضاعفت السرعة إلى 40 م/ث، تصبح الطاقة الحركية ½ × 1000 × (40)² = 800,000 جول (تتضاعف 4 مرات!).

الطاقة الكامنة (Potential Energy)

هي الطاقة المخزنة في الجسم بسبب موضعه أو حالته. أهم أنواعها:
الطاقة الكامنة الجاذبية (Gravitational PE): PE = mgh
حيث m الكتلة (كغ)، g تسارع الجاذبية (9.8 م/ث²)، h الارتفاع (م).
الطاقة الكامنة المرونية (Elastic PE): PE = ½ kx² (للنابض)
حيث k ثابت النابض، x مقدار الاستطالة أو الانضغاط.

مبدأ حفظ الطاقة الميكانيكية

في غياب قوى الاحتكاك والمقاومة، تبقى الطاقة الميكانيكية الكلية (مجموع الطاقة الحركية والكامنة) ثابتة:
KE₁ + PE₁ = KE₂ + PE₂

وهذا يعني أن الطاقة تتحول من شكل إلى آخر دون أن تفقد. فعند سقوط جسم من ارتفاع، تتحول طاقته الكامنة إلى طاقة حركية.

مثال تطبيقي: الأرجوحة

طفل على أرجوحة: في أعلى نقطة، تكون الطاقة الكامنة قصوى والطاقة الحركية صفراً. عند النزول إلى أدنى نقطة، تتحول الطاقة الكامنة إلى حركية فتكون السرعة قصوى. عند الصعود إلى الجهة الأخرى، تتحول الطاقة الحركية إلى كامنة مجدداً. هذا التبادل المستمر يوضح حفظ الطاقة الميكانيكية.

مثال تطبيقي: سقوط حر

كرة كتلتها 2 كغ تسقط من ارتفاع 10 أمتار. احسب:
1. الطاقة الكامنة عند القمة: PE = mgh = 2 × 9.8 × 10 = 196 جول.
2. السرعة قبل وصولها الأرض مباشرة: تتحول PE كاملة إلى KE: 196 = ½ × 2 × v² → v² = 196 → v = 14 م/ث.

تمارين

1. جسم كتلته 5 كغ يتحرك بسرعة 10 م/ث. احسب طاقته الحركية.
2. كرة كتلتها 0.5 كغ على ارتفاع 20 م. احسب طاقتها الكامنة بالنسبة لسطح الأرض.
3. حجر كتلته 0.2 كغ قذف رأسياً لأعلى بسرعة 15 م/ث. احسب أقصى ارتفاع يصل إليه باستخدام مبدأ حفظ الطاقة.
4. اشرح تحولات الطاقة في كرة تتدحرج على سطح مائل.

للمزيد من الدروس العلمية، راجع درس البيئة المائية: الكائنات الحية في الماء، كما يمكنك الاطلاع على التلوث وأنواعه وتأثيره على الصحة والبيئة.