الطاقة الحركية والطاقة الكامنة — مفهومهما وحسابهما وقانون حفظ الطاقة — العلوم الفيزيائية — السنة الرابعة متوسط — المنهاج الجزائري

مقدمة

الطاقة مفهوم أساسي في العلوم الفيزيائية. تنقسم الطاقة الميكانيكية إلى نوعين رئيسيين: الطاقة الحركية والطاقة الكامنة. في هذا الدرس سنتعرف على مفهوم كل منهما، كيفية حسابهما، وقانون حفظ الطاقة الميكانيكية.

أهداف الدرس

• تعريف الطاقة الحركية والطاقة الكامنة.
• حساب الطاقة الحركية لجسم متحرك.
• حساب الطاقة الكامنة الثقالية لجسم مرتفع.
• تطبيق قانون حفظ الطاقة الميكانيكية.

أولاً: الطاقة الحركية (Ec)

تعريف: هي الطاقة التي يمتلكها الجسم بسبب حركته. تعتمد على كتلة الجسم وسرعته.

القانون

Ec = ½ × m × v²

• Ec: الطاقة الحركية (بالجول J).
• m: كتلة الجسم (بالكيلوغرام kg).
• v: سرعة الجسم (بالمتر/ثانية m/s).

مثال محلول

المعطيات: سيارة كتلتها 1000 kg تتحرك بسرعة 20 m/s. احسب طاقتها الحركية.

الحل:
Ec = ½ × 1000 × (20)² = ½ × 1000 × 400 = 200,000 J

ثانياً: الطاقة الكامنة الثقالية (Epp)

تعريف: هي الطاقة التي يمتلكها الجسم بسبب ارتفاعه عن سطح الأرض.

القانون

Epp = m × g × h

• Epp: الطاقة الكامنة الثقالية (بالجول J).
• m: كتلة الجسم (kg).
• g: شدة مجال الثقالة الأرضية (≈ 10 N/kg).
• h: الارتفاع عن سطح الأرض (m).

مثال محلول

المعطيات: كرة كتلتها 2 kg موضوعة على رف ارتفاعه 5 m عن الأرض. احسب طاقتها الكامنة. (g = 10 N/kg)

الحل:
Epp = 2 × 10 × 5 = 100 J

ثالثاً: الطاقة الميكانيكية وحفظها

الطاقة الميكانيكية (Em) هي مجموع الطاقة الحركية والطاقة الكامنة:

Em = Ec + Epp

قانون حفظ الطاقة الميكانيكية: في غياب قوى الاحتكاك، تبقى الطاقة الميكانيكية ثابتة (محفوظة) خلال الحركة.

تمارين تطبيقية

1. احسب الطاقة الحركية لجسم كتلته 50 kg يتحرك بسرعة 10 m/s.
2. كرة كتلتها 0.5 kg سقطت من ارتفاع 20 m. احسب طاقتها الكامنة عند بداية السقوط (g = 10 N/kg).
3. عند أي ارتفاع تصبح الطاقة الكامنة لجسم كتلته 10 kg تساوي 500 J؟

الخلاصة

• الطاقة الحركية تزداد بزيادة الكتلة والسرعة (تتناسب مع مربع السرعة).
• الطاقة الكامنة تزداد بزيادة الكتلة والارتفاع.
• الطاقة لا تفنى ولا تُستحدث، بل تتحول من شكل إلى آخر.
• عند سقوط جسم، تتحول الطاقة الكامنة إلى طاقة حركية والعكس عند الصعود.