الطاقة الكامنة هي الطاقة التي يتم تحديدها من خلال الموقع النسبي للأجسام المتفاعلة أو أجزاء من نفس الجسم.
على سبيل المثال، جسم مرتفع فوق الأرض لديه طاقة محتملة، لأن طاقة الجسم تعتمد على الموقع النسبي له وللأرض وجاذبيةهما المتبادلة. الطاقة الكامنة لجسم ملقى على الأرض تساوي صفرًا. والطاقة الكامنة لهذا الجسم، إذا ارتفعت إلى ارتفاع معين، سيتم تحديدها من خلال الشغل الذي تبذله الجاذبية عندما يسقط الجسم على الأرض. تتمتع مياه النهر التي يحتفظ بها السدود بطاقة كامنة هائلة. عند سقوطه، فإنه يعمل، ويدفع توربينات قوية لمحطات الطاقة.
يُشار إلى الطاقة الكامنة لجسم ما بالرمز E p.
بما أن E p = A إذن
ه ع =ف
ه ص= جمه
ه ص- الطاقة الكامنة؛ ز- تسارع السقوط الحر يساوي 9,8 نيوتن/كجم؛ م- كتلة الجسم، ح– الارتفاع الذي يرتفع إليه الجسم .
الطاقة الحركية هي الطاقة التي يمتلكها الجسم بسبب حركته.
تعتمد الطاقة الحركية للجسم على سرعته وكتلته. على سبيل المثال، كلما زادت سرعة تساقط المياه في النهر وزادت كتلة هذا الماء، زادت قوة دوران توربينات محطات الطاقة.
ام في 2
ه ك = --
2
إيك- الطاقة الحركية؛ م- كتلة الجسم؛ الخامس– سرعة حركة الجسم .
في الطبيعة والتكنولوجيا والحياة اليومية، عادةً ما يتحول أحد أنواع الطاقة الميكانيكية إلى نوع آخر: الإمكانية إلى حركية والحركية إلى إمكانات.
على سبيل المثال، عندما تسقط المياه من أحد السدود، تتحول طاقتها الكامنة إلى طاقة حركية. في البندول المتأرجح، تتحول هذه الأنواع من الطاقة بشكل دوري إلى بعضها البعض.
تقوم العضلات التي تحرك أجزاء الجسم بعمل ميكانيكي.
وظيفةفي اتجاه ما - هذا هو حاصل ضرب القوة (F) المؤثرة في اتجاه حركة الجسم عبر المسار الذي اجتازه(ق): أ = و س.
يتطلب القيام بالعمل طاقة. ولذلك، مع تنفيذ العمل، تنخفض الطاقة في النظام. نظرًا لأنه من أجل إنجاز العمل، يلزم توفير الطاقة، ويمكن تعريف الأخيرة على النحو التالي: طاقة – هذه هي الفرصة للقيام بالعمل، وهذا مقياس معين لـ "المورد" المتاح في النظام الميكانيكي لأداء هذا العمل. بالإضافة إلى ذلك، الطاقة هي مقياس للانتقال من نوع من الحركة إلى نوع آخر.
في الميكانيكا الحيوية، يتم أخذ المبادئ الرئيسية التالية بعين الاعتبار: أنواع الطاقة:
المحتملة، اعتمادًا على الموقع النسبي لعناصر النظام الميكانيكي لجسم الإنسان؛
الحركة الانتقالية الحركية؛
الحركة الدورانية الحركية؛
التشوه المحتمل لعناصر النظام؛
حراري؛
عمليات التبادل.
الطاقة الإجمالية للنظام الميكانيكي الحيوي تساوي مجموع جميع أنواع الطاقة المدرجة.
من خلال رفع الجسم، وضغط الزنبرك، يمكنك تجميع الطاقة في شكل محتمل لاستخدامها لاحقًا. ترتبط الطاقة الكامنة دائمًا بقوة أو بأخرى تعمل من جسم على آخر. على سبيل المثال، تعمل الأرض بالجاذبية على جسم ساقط، ويعمل الزنبرك المضغوط على الكرة، ويعمل الوتر المرسوم على السهم.
الطاقة الكامنة – هي الطاقة التي يمتلكها الجسم بسبب موقعه بالنسبة للأجسام الأخرى، أو بسبب الترتيب النسبي لأجزاء الجسم الواحد..
ولذلك، فإن قوة الجاذبية والقوة المرنة محتملة.
الطاقة الكامنة الجاذبية:إن = م ز ح
حيث k هي صلابة الربيع؛ x هو تشوهه.
يتضح من الأمثلة المذكورة أعلاه أنه يمكن تخزين الطاقة على شكل طاقة وضع (رفع جسم، ضغط زنبرك) لاستخدامها لاحقًا.
في الميكانيكا الحيوية، يتم النظر في نوعين من الطاقة الكامنة وأخذهما بعين الاعتبار: بسبب الموقع النسبي لروابط الجسم مع سطح الأرض (طاقة وضع الجاذبية)؛ يرتبط بالتشوه المرن لعناصر النظام الميكانيكي الحيوي (العظام والعضلات والأربطة) أو أي أشياء خارجية (المعدات الرياضية والمعدات).
الطاقة الحركيةيخزن في الجسم عند الحركة . الجسم المتحرك يبذل شغلا بسبب فقده. بما أن أجزاء الجسم والجسم البشري تؤدي حركات انتقالية ودورانية، فإن إجمالي الطاقة الحركية (Ek) سيكون مساويًا لـ: 
، حيث m هي الكتلة، V هي السرعة الخطية، J هي لحظة القصور الذاتي للنظام، ω هي السرعة الزاوية.
تدخل الطاقة إلى النظام الميكانيكي الحيوي بسبب عمليات التمثيل الغذائي التي تحدث في العضلات. إن التغير في الطاقة الناتج عن العمل المبذول ليس عملية عالية الكفاءة في النظام الميكانيكي الحيوي، أي أنه لا يتم تحويل كل الطاقة إلى عمل مفيد. يتم فقدان جزء من الطاقة بشكل لا رجعة فيه، ويتحول إلى حرارة: يتم استخدام 25٪ فقط لأداء العمل، ويتم تحويل نسبة 75٪ المتبقية وتبددها في الجسم.
بالنسبة للنظام الميكانيكي الحيوي، يتم تطبيق قانون الحفاظ على طاقة الحركة الميكانيكية في النموذج:
إبول = إيك + إيبوت + يو،
حيث Epol هي الطاقة الميكانيكية الكلية للنظام؛ Ek – الطاقة الحركية للنظام؛ Epot – الطاقة المحتملة للنظام. U هي الطاقة الداخلية للنظام، وتمثل الطاقة الحرارية بشكل أساسي.
تعتمد الطاقة الإجمالية للحركة الميكانيكية للنظام الميكانيكي الحيوي على مصدري الطاقة التاليين: التفاعلات الأيضية في جسم الإنسان والطاقة الميكانيكية للبيئة الخارجية (العناصر المشوهة للمعدات الرياضية والمعدات والأسطح الداعمة والمعارضين أثناء تفاعلات الاتصال). تنتقل هذه الطاقة من خلال القوى الخارجية.
من سمات إنتاج الطاقة في النظام الميكانيكي الحيوي أن جزءًا واحدًا من الطاقة أثناء الحركة يتم إنفاقه على أداء الحركة الحركية اللازمة، والآخر يذهب إلى تبديد الطاقة المخزنة بشكل لا رجعة فيه، ويتم حفظ الجزء الثالث واستخدامه أثناء الحركة اللاحقة. عند حساب الطاقة المبذولة أثناء الحركات والعمل الميكانيكي الذي يتم خلال هذه العملية، يتم تمثيل جسم الإنسان على شكل نموذج لنظام بيوميكانيكي متعدد الوصلات، يشبه البنية التشريحية. تعتبر حركات الرابط الفردي وحركات الجسم ككل على شكل نوعين أبسط من الحركة: الانتقالية والدورانية.
يمكن حساب إجمالي الطاقة الميكانيكية لبعض الوصلات i (Epol) كمجموع الطاقة المحتملة (Epot) والطاقة الحركية (Ek). في المقابل، يمكن تمثيل Ek كمجموع الطاقة الحركية لمركز كتلة الوصلة (Ec.c.m.)، حيث تتركز كتلة الوصلة بأكملها، والطاقة الحركية لدوران الوصلة بالنسبة إلى مركز الكتلة (Ec.Vr.).
إذا كانت حركيات حركة الوصلة معروفة، فإن هذا التعبير العام للطاقة الكلية للوصلة سيكون له الشكل: حيث mi هي كتلة الوصلة i؛ ĝ – تسارع السقوط الحر؛ hi هو ارتفاع مركز الكتلة فوق مستوى الصفر (على سبيل المثال، فوق سطح الأرض في مكان معين)؛ - سرعة الحركة الانتقالية لمركز الكتلة؛ Ji هي لحظة القصور الذاتي للوصلة i بالنسبة لمحور الدوران اللحظي الذي يمر عبر مركز الكتلة؛ ω - السرعة الزاوية اللحظية للدوران بالنسبة للمحور اللحظي.
العمل على تغيير الطاقة الميكانيكية الكلية للوصلة (Ai) أثناء التشغيل من اللحظة t1 إلى اللحظة t2 يساوي الفرق في قيم الطاقة عند اللحظات النهائية (Ep(t2)) والابتدائية (Ep(t1)) الحركة:
بطبيعة الحال، في في هذه الحالةيتم إنفاق العمل على تغيير الطاقة الكامنة والحركية للارتباط.
إذا كان مقدار الشغل Ai > 0، أي أن الطاقة قد زادت، فسيقولون أنه قد تم إنجاز عمل إيجابي على الرابط. إذا منظمة العفو الدولية< 0, то есть энергия звена уменьшилась, - отрицательная работа.
يُطلق على طريقة العمل لتغيير طاقة رابط معين اسم التغلب إذا كانت العضلات تؤدي عملاً إيجابيًا على الرابط؛ أقل شأنا إذا كانت العضلات تؤدي عملا سلبيا على الرابط.
يتم العمل الإيجابي عندما تنقبض العضلات ضد حمل خارجي، وتذهب لتسريع أجزاء الجسم، والجسم ككل، والمعدات الرياضية، وما إلى ذلك. ويتم العمل السلبي إذا كانت العضلات تقاوم التمدد بسبب عمل القوى الخارجية. ويحدث هذا عند إنزال حمل أو نزول السلالم أو مقاومة قوة تتجاوز قوة العضلات (على سبيل المثال، في مصارعة الذراعين).
وقد لوحظت حقائق مثيرة للاهتمام حول العلاقة بين العمل العضلي الإيجابي والسلبي: العمل العضلي السلبي أكثر اقتصادا من العمل العضلي الإيجابي؛ التنفيذ الأولي للعمل السلبي يزيد من حجم وكفاءة العمل الإيجابي الذي يتبعه.
كلما زادت سرعة حركة جسم الإنسان (أثناء الجري والتزلج والتزلج وما إلى ذلك)، كلما زاد جزء العمل الذي يتم إنفاقه ليس على النتيجة المفيدة - تحريك الجسم في الفضاء، ولكن على تحريك الروابط نسبة إلى GCM لذلك، عند السرعات العالية، يتم إنفاق العمل الرئيسي على تسريع وكبح أجزاء الجسم، حيث أنه مع زيادة السرعة، يزداد تسارع حركة أجزاء الجسم بشكل حاد.
الطاقة الحركية هي طاقة حركة الجسم. وبناءً على ذلك، إذا كان لدينا جسم له كتلة معينة على الأقل وسرعة معينة على الأقل، فهو يمتلك طاقة حركية. ومع ذلك، بالنسبة للأنظمة المرجعية المختلفة، يمكن أن تكون هذه الطاقة الحركية لنفس الكائن مختلفة.
مثال. هناك جدة، بالنسبة لأرض كوكبنا، في حالة راحة، أي لا تتحرك، ولنقل، تجلس في محطة للحافلات في انتظار حافلتها. إذن، بالنسبة لكوكبنا، فإن طاقته الحركية تساوي صفرًا. ولكن إذا نظرت إلى نفس الجدة من القمر أو من الشمس، حيث يمكنك ملاحظة حركة الكوكب، وبالتالي، هذه الجدة الموجودة على كوكبنا، فإن الجدة سيكون لديها بالفعل طاقة حركية نسبية للأجرام السماوية المذكورة. وبعد ذلك تصل الحافلة. هذه الجدة نفسها تنهض بسرعة وتركض لتأخذ مكانها الصحيح. الآن، بالنسبة للكوكب، لم يعد في حالة سكون، ولكنه يتحرك تمامًا. وهذا يعني أن لديها طاقة حركية. وكلما كانت الجدة أكثر سمكًا وأسرع، زادت طاقتها الحركية.
هناك عدة أنواع أساسية من الطاقة - أهمها. سأخبرك، على سبيل المثال، عن الميكانيكية. وتشمل هذه الطاقة الحركية، والتي تعتمد على سرعة الجسم وكتلته، والطاقة الكامنة، والتي تعتمد على المكان الذي تأخذ فيه مستوى الطاقة الكامنة صفر، وعلى الموضع الذي يكون فيه هذا الجسم نسبة إلى مستوى الطاقة الكامنة صفر. أي أن الطاقة الكامنة هي طاقة تعتمد على موضع الجسم. تميز هذه الطاقة العمل الذي يقوم به المجال الذي يقع فيه الجسم عن طريق تحريكه.
مثال. أنت تحمل صندوقًا ضخمًا بين يديك وتسقط. الصندوق على الأرض. اتضح أن مستوى الطاقة الصفرية الخاص بك سيكون موجودًا على التوالي على مستوى الأرضية. عندها سيكون لدى الجزء العلوي من الصندوق طاقة وضع أكبر، لأنه أعلى من الأرضية وفوق مستوى طاقة الوضع الصفري.
ومن الغباء الحديث عن الطاقة دون ذكر قانون حفظها. وبالتالي، وفقًا لقانون حفظ الطاقة، فإن هذين النوعين من الطاقة، اللذين يصفان حالة الجسم، لا يأتيان من أي مكان ولا يختفيان في أي مكان، بل يتحولان فقط إلى بعضهما البعض.
هنا مثال. أنا أسقط من ارتفاع منزل، ولدي في البداية طاقة وضع بالنسبة إلى الأرض في اللحظة التي سبقت القفزة، وطاقتي الحركية لا تذكر، لذا يمكننا أن نساويها بالصفر. لذلك قمت بتمزيق ساقي من الكورنيش وبدأت طاقتي المحتملة في الانخفاض، حيث أصبح الارتفاع الذي أنا فيه أقل وأقل. في نفس اللحظة، عند السقوط، أكتسب تدريجيا الطاقة الحركية، حيث أسقط بسرعة متزايدة باستمرار. في لحظة السقوط، لدي بالفعل الحد الأقصى من الطاقة الحركية، لكن الطاقة المحتملة صفر، مثل هذه الأشياء.
العالم من حولنا في حركة مستمرة. أي جسم (جسم) قادر على أداء عمل معين، حتى لو كان في حالة سكون. ولكن لإكمال أي عملية هو مطلوب بذل بعض الجهد، كبيرة في بعض الأحيان.
يُترجم هذا المصطلح من اليونانية ويعني "النشاط" و"القوة" و"القوة". تحدث جميع العمليات على الأرض وخارج كوكبنا بفضل هذه القوة التي تمتلكها الأشياء والأجسام والأشياء المحيطة.
في تواصل مع
من بين الأنواع المتنوعة، هناك عدة أنواع رئيسية من هذه القوة، تختلف بشكل أساسي في مصادرها:
ستتحدث هذه المقالة عن ماهية القوة الميكانيكية للأشياء وما تتكون منه وما الذي تعتمد عليه وكيف تتحول أثناء العمليات المختلفة.
وبفضل هذا النوع، يمكن للأشياء والأجسام أن تكون في حالة حركة أو في حالة سكون. إمكانية مثل هذا النشاط وأوضح بالحضورمكونين رئيسيين:
إنه مجموع الطاقات الحركية والمحتملة التي تحدد المؤشر العددي العام للنظام بأكمله. الآن دعونا نتحدث عن الصيغ المستخدمة لحساب كل منها، وكيف يتم قياس الطاقة.
الطاقة الحركية هي سمة من سمات أي نظام في الحركة. ولكن كيف يمكن العثور على الطاقة الحركية؟
ليس من الصعب القيام بذلك، لأن صيغة حساب الطاقة الحركية بسيطة للغاية:
يتم تحديد القيمة المحددة من خلال معلمتين رئيسيتين: سرعة حركة الجسم (V) وكتلته (م). كلما زادت الخصائص، زادت أهمية الظاهرة الموصوفة في النظام.
أما إذا لم يتحرك الجسم (أي v = 0)، فإن الطاقة الحركية تكون صفرًا.
الطاقة الكامنة – وهذه هي الخاصية التي يعتمد عليها مواقع وإحداثيات الهيئات.
أي جسم يخضع للجاذبية والقوى المرنة. ويلاحظ هذا التفاعل بين الأجسام مع بعضها البعض في كل مكان، وبالتالي فإن الأجسام في حركة مستمرة وتغير إحداثياتها.
وقد ثبت أنه كلما ارتفع الجسم عن سطح الأرض كلما زادت كتلته وزاد مؤشر ذلك. الحجم لديها.
وبالتالي، تعتمد الطاقة الكامنة على الكتلة (م)، والارتفاع (ح). قيمة g هي تسارع الجاذبية، ويساوي 9.81 م/ث2. تبدو وظيفة حساب قيمتها الكمية كما يلي:
وحدة قياس هذه الكمية الفيزيائية في نظام SI هي جول (1 ي). هذا هو بالضبط مقدار القوة اللازمة لتحريك جسم مسافة متر واحد، مع تطبيق قوة مقدارها 1 نيوتن.
مهم!تمت الموافقة على الجول كوحدة قياس في المؤتمر الدولي للكهربائيين، الذي عقد في عام 1889. حتى هذا الوقت، كان معيار القياس هو الوحدة الحرارية البريطانية BTU، والتي تُستخدم حاليًا لتحديد قوة منشآت التدفئة.
ومن المعروف من أساسيات الفيزياء أن القوة الكلية لأي جسم، بغض النظر عن زمان ومكان تواجده، تظل دائمًا قيمة ثابتة، فقط مكوناته الثابتة (Ep) و (Ek) تتحول.
تحويل الطاقة الكامنة إلى طاقة حركيةوالعكس يحدث في ظل ظروف معينة.
على سبيل المثال، إذا لم يتحرك جسم ما، فإن طاقة حركته تكون صفرًا، ولن يتواجد في حالته سوى عنصر محتمل.
وعلى العكس من ذلك، ما هي الطاقة الكامنة لجسم ما، على سبيل المثال، عندما يكون على سطح (ع=0)؟ بالطبع هي صفر، و E للجسم سيتكون فقط من مكونه Ek.
لكن الطاقة الكامنة موجودة قوة القيادة. بمجرد أن يرتفع النظام إلى بعض الارتفاع، ثم ماذاسيبدأ Ep الخاص به في الزيادة على الفور، وستنخفض Ek بالمقابل بنفس المقدار. هذا النمط مرئي في الصيغتين أعلاه (1) و (2).
من أجل الوضوح، دعونا نعطي مثالا على رمي حجر أو كرة. أثناء الرحلة، كل واحد منهم لديه عنصر محتمل وحركي. فإذا زاد أحدهما نقص الآخر بنفس المقدار.
يستمر الطيران لأعلى للأشياء فقط طالما أن احتياطي وقوة مكون الحركة Ek كافٍ. بمجرد نفادها، يبدأ الخريف.
ولكن ليس من الصعب تخمين ما هي الطاقة الكامنة للأجسام عند أعلى نقطة، هذا هو الحد الأقصى.
وعندما يسقطون، يحدث العكس. عند لمس الأرض، يكون مستوى الطاقة الحركية في أقصى حد له.
>>الفيزياء الصف العاشر >>الفيزياء: الطاقة الحركية وتغيرها
الطاقة الحركية هي الطاقة التي يمتلكها الجسم بسبب حركته.
بعبارات بسيطة، ينبغي أن يعني مفهوم الطاقة الحركية فقط الطاقة التي يمتلكها الجسم عندما يتحرك. إذا كان الجسم في حالة سكون، أي لا يتحرك على الإطلاق، فإن الطاقة الحركية ستكون صفرًا.
الطاقة الحركية تساوي الشغل الذي يجب أن تبذله لنقل الجسم من حالة السكون إلى حالة الحركة بسرعة معينة.
ولذلك فإن الطاقة الحركية هي الفرق بين الطاقة الكلية للنظام وطاقته الساكنة. بمعنى آخر، ستكون الطاقة الحركية جزءًا من إجمالي الطاقة الناتجة عن الحركة.
دعونا نحاول فهم مفهوم الطاقة الحركية للجسم. على سبيل المثال، لنأخذ حركة قرص على الجليد ونحاول فهم العلاقة بين كمية الطاقة الحركية والشغل الذي يجب بذله لإخراج القرص من السكون وتحريكه بسرعة معينة.
مثال
لاعب الهوكي الذي يلعب على الجليد، ويضرب القرص بعصاه، يضفي عليه السرعة والطاقة الحركية. مباشرة بعد ضربه بالعصا، يبدأ القرص بالتحرك بسرعة كبيرة، لكن سرعته تتباطأ تدريجياً وفي النهاية يتوقف تماماً. وهذا يعني أن انخفاض السرعة كان نتيجة لقوة الاحتكاك التي تحدث بين السطح والقرص. ثم يتم توجيه قوة الاحتكاك ضد الحركة وتكون أفعال هذه القوة مصحوبة بالحركة. يستخدم الجسم الطاقة الميكانيكية المتوفرة في أداء عمل ضد قوة الاحتكاك.
ومن هذا المثال نرى أن الطاقة الحركية هي الطاقة التي يتلقاها الجسم نتيجة حركته.
وبالتالي فإن الطاقة الحركية لجسم له كتلة معينة تتحرك بسرعة تساوي الشغل الذي يجب أن تبذله القوة المؤثرة على الجسم الساكن حتى ينقل هذه السرعة إليه:
الطاقة الحركية هي طاقة جسم متحرك، وهي تساوي حاصل ضرب كتلة الجسم في مربع سرعته مقسمة إلى نصفين.
وتشمل خصائص الطاقة الحركية ما يلي: الجمع، والثبات فيما يتعلق بدوران الإطار المرجعي، والحفظ.
خاصية مثل الجمع هي الطاقة الحركية للنظام الميكانيكي، والتي تتكون من نقاط مادية وستكون مساوية لمجموع الطاقات الحركية لجميع نقاط المواد المضمنة في هذا النظام.
خاصية الثبات فيما يتعلق بدوران النظام المرجعي تعني أن الطاقة الحركية لا تعتمد على موضع النقطة واتجاه سرعتها. ويمتد اعتمادها فقط من الوحدة أو من مربع سرعتها.
وتعني خاصية الحفظ أن الطاقة الحركية لا تتغير على الإطلاق أثناء التفاعلات التي تغير فقط الخصائص الميكانيكية للنظام.
هذه الخاصية لم تتغير فيما يتعلق بالتحولات الجليلية. ستكون خصائص الحفاظ على الطاقة الحركية وقانون نيوتن الثاني كافية لاشتقاق الصيغة الرياضية للطاقة الحركية.
ولكن هناك معضلة مثيرة للاهتمام مثل حقيقة أن الطاقة الحركية يمكن أن تعتمد على الموقع الذي يُنظر منه إلى هذا النظام. على سبيل المثال، إذا أخذنا شيئًا لا يمكن رؤيته إلا تحت المجهر، فإن هذا الجسم ككل لا يتحرك، على الرغم من وجود طاقة داخلية أيضًا. في مثل هذه الظروف، تظهر الطاقة الحركية فقط عندما يتحرك هذا الجسم ككل واحد.
والجسم نفسه عند النظر إليه على المستوى المجهري يمتلك طاقة داخلية نتيجة لحركة الذرات والجزيئات التي يتكون منها. وستكون درجة الحرارة المطلقة لمثل هذا الجسم متناسبة مع متوسط الطاقة الحركية لهذه الحركة للذرات والجزيئات.
