ملخص الشغل وحفظ الطاقة الميكانيكية، الفيزياء

القوى المحافظة

• شغلها المبذول على جسم لتحريكه بين أي موقعين، لا يعتمد على المسار الذي يسلكه الجسم بين الموقعين.
• شغلها المبذول على جسم لتحريكه عبر مسار مغلق يساوي صفرًا.

القوى غير المحافظة

• تُعدّ أي قوّة لم تُحقّق خصيصتي القوى المحافظة السابقتين قوّة غير محافظة.
• يعتمد الشغل الذي تبذله هذه القوة على جسم ما على المسار الذي يسلكه الجسم.
• يوضّح الشكل (28) اعتماد شغل القوّة غير المحافظة على المسار.
• يكون الشغل الذي تبذله قوّة الاحتكاك في أثناء حركة الكتاب بين الموقعين ⁦(A)⁩ و⁦(B)⁩ على سطح الطاولة الخشن أكبر عبر المسار المنحني؛ لأنّه أطول من المسار المستقيم.
• تعمل القوى غير المحافظة على تغيير الطاقة الميكانيكية للجسم عند التأثير فيه.
• تُعدّ قوة الفرامل في مثال قيادة الدراجة الهوائية على طريق أفقية واستعمال الفرامل قوة احتكاك.
• لا يُختزن شغل قوة الاحتكاك خلافًا للقوى المحافظة.
• توقفت الدراجة عن الحركة وتحولت الطاقة الحركية التي كانت تمتلكها إلى طاقة غير مفيدة.
• تحوّل جزء كبير من هذه الطاقة إلى طاقة حرارية اكتسبها نظام (الدراجة - سطح الطريق).
• تبذل القوة غير المحافظة ⁦(nonconservative force)⁩ شغلًا يؤدي إلى تغير الطاقة الميكانيكية للنظام.
• تُعدّ قوة الاحتكاك الحركي وقوة الشد أمثلة على القوى غير المحافظة.

الطاقة الميكانيكية في الأنظمة المحافظة

• يبين الشكل (29) كرة في أثناء سقوطها نحو الأرض من موقع ابتدائي ($y_i$) إلى موقع نهائي ($y_f$).
• تكون حركة الكرة تحت تأثير قوة الجاذبية الأرضية فقط عند إهمال مقاومة الهواء.
• يُعبّر عن الشغل الكلي المبذول على الكرة في أثناء سقوطها بالعلاقة الآتية بتطبيق مبرهنة الشغل-الطاقة: $W_{Total} = W_g = \Delta KE$
• نحصل على العلاقة الآتية بتعويض شغل قوة الجاذبية ($W_g = -\Delta PE$): $\Delta KE = -\Delta PE$ $\Delta KE + \Delta PE = 0$
• أتوصل إلى ما يأتي بالتعويض عن التغيّر في الطاقة الحركية والتغير في طاقة الوضع: $(KE_f - KE_i) + (PE_f - PE_i) = 0$ $KE_i + PE_i = KE_f + PE_f$
• يُعبّر عن الطاقة الميكانيكية بالعلاقة: $ME = KE + PE$.
• تكون العلاقة الآتية صحيحة: $ME_i = ME_f$
• تكون قيمة التغير في الطاقة الميكانيكية: $\Delta ME = 0$
• تصف العلاقة السابقة حفظ الطاقة الميكانيكية ⁦(Conservation of Mechanical Energy)⁩ في ظل وجود قُوى محافظة فقط تبذل شغلًا.
• تبقى الطاقة الميكانيكية للنظام ثابتة في هذه الحالة.

الربط بالحياة

• يُستفاد من تحوّل طاقة الوضع الناشئة عن الجاذبية الأرضيّة إلى طاقة حركية في توليد الطاقة الكهربائية.
• أنشأت بعض الدول سدوداً في مجاري أنهارها الكبيرة كما في الشكل (31).
• يحجز السد ماء النهر خلفه.
• يؤدّي حجز الماء إلى زيادة ارتفاع مستوى الماء المحجوز خلف السد، مما يزيد من طاقة وضعه الناشئة عن الجاذبية الأرضيّة.
• يجري التحكّم في معدّل تدفق الماء المحجوز خلف السد عن طريق ممرّات خاصة.
• يدير الماء المتدفق مراوح خاصة تُسمى توربينات متصلة بمولّدات كهربائية.
• يؤدّي دوران التوربينات إلى الحصول على الطاقة الكهرومائية ⁦(Hydroelectric Power)⁩.