طاقة وضع
طاقة الوضع (بالإنجليزية: Potential Energy) وتسمي أيضا طاقة الارتفاع هي إحدى صور الطاقة في الفيزياء. وهي طاقة "كامنة" يكتسبها جسم بسبب وقوعه تحت تأثير جاذبية مثل الجاذبية الأرضية أو تحت تأثير مجال كهربائي إذا كان له شحنة كهربائية. ولذلك تسمى تلك الطاقة بطاقة الوضع. وعلى الأرض يمكن أن يشكل سطح الأرض مرجعاً لحساب تلك الطاقة.
وعادة يستخدم الرمز "V" أو الرمز "E" لتعريف طاقة الوضع وتسمى بالأنجليزية potential energy
تنضم أنواع الطاقة التالية إلى طاقة الوضع:والمعادلة التي تعطي طاقة الوضع الناتجة عن الثقالة هي:
حيث:
أي أن طاقة وضع جسم تتزايد بتزايد ارتفاعه عن سطح الأرض، ويمكن حسابها لأي جسم.
تتغير طاقة الوضع لجسم بتغير ارتفاعه عن سطح الأرض. فإذا افترضنا مؤقتا أن طاقة الوضع لجسم على سطح الأرض تساوي صفرا، ثم قمنا بقذف حجر عموديا إلى أعلى، يبدأ الجسم بطاقة حركة عالية وما يلبث أن تهدأ سرعته رويدا رويدا بفعل الجاذبية أو الثقالة وتتحول طاقة حركته خلال ارتفاعه إلى طاقة وضع. حتى إذا وصل الحجر إلى أقصى ارتفاع له تكون كل طاقة حركته قد تحولت إلى طاقة الوضع. ويبدأ الحجر بفعل طاقة الوضع التحرك ثانيا إلى أسفل حيث تزداد سرعته إلى أن يلتقي بالأرض، عندئذ تكون طاقة وضعه (التي اكتسبها في العلاء) قد تحولت إلى طاقة حركة ثانيا. وباصطدامه بالأرض تتحول طاقة حركته فورا إلى طاقة حرارية. وهذا يحقق قانون انحفاظ الطاقة.
وفي كل نقطة من مسار الحجر أثناء الصعود والهبوط يكون مجموع طاقة حركته وطاقة وضعه ثابتا.أي إذا تزايدت واحدة تنقص الأخرى بنفس القدر.
وتـُقاس طاقة الوضع مثلما تقاس طاقة الحركة، بوحدة كيلوجرام.متر. ثانية أو جول.
ويمكن كتابة الطاقة الكلية للحجر بالمعادلة:
حيث:
وبتطبيق المعادلة أعلاه نجد أن الطاقة الكلية للحجر عند نقطة أقصى ارتفاع:
أي تصبح الطاقة الكلية مساوية لطاقة الوضع.
وبتطبيق المعادلة على حركة الحجر عند عودته إلى الأرض، تصبح الطاقة الكلية للحجر:
أي عند عودة الحجر إلى الأرض تصبح الطاقة الكلية للحجر مساوية لطاقة حركته.
وتظهر طاقة حركة الحجر عند اصتدامه بالأرض على هيئة طاقة حرارية. ولكن الاختلاف في درجة الحرارة هنا يكون ضئيلا فلا نشعر به. وكما تبين أعلاه يمكننا التعبير عن طاقة الحركة بوحدة الجول وهي وحدة حرارية.
يتحرك بندول الساعة (رقاص) في حركة قوسية حول مركز ثقله، فنجده يتحرك من أعلى نقطة على اليمين مثلا (حيث يكون فيها ثابتا للحظة ما) وتزداد سرعته في اتجاه النقطة المركزية حيث يكون ارتفاعه أقل ما يمكن، وعند تلك النقطة يكون قد وصل إلى أقصى سرعة له، فيندفع إلى اليسار وتنخفض سرعته رويدا رويدا حتى يصل إلى أقصى ارتفاع له إلى اليسار، وعندها تصبح سرعته صفرا ثانيا. ثم تتكرر العملية بالعكس من اليسار إلى اليمين حتى يصل إلى أعلى نقطة إلى اليمين وتصبح سرعته عندها صفرا، وهكذا.
تتغير طاقتي الحركة والوضع للبندول طوال الوقت و لكن مجموعها يظل ثابتا. فعند أعلى نقطة إلى اليمين أو أعلى نقطة إلى اليسار - عندما يثبت حركة البندول وتصل سرعته إلى الصفر - فهنا تكون طاقة وضعه مساوية لطاقتة الكلية،(إذ أن طاقة الحركة تعتمد على سرعة الجسم فإذا كان الجسم ثابتا، كانت طاقة حركته صفرا). ثم تبدأ عند كلتا النقطتين العلويتين (يمينا أو يسارا) طاقة الوضع تتحول إلى طاقة حركة فنجد البندول بزداد سرعة في إلتجاه نقطة الوسط المنخفضة، وعند تلك النقطة تكون طاقة وضع البندول قد تحولت كلها إلى طاقة حركة.
يعتبر نموذج البندول البسيط نموذجا لقانون انحفاط الطاقة في الميكانيكا. فعلى الطريق بين نقطة أقصى ارتفاع للبندول إلى نقطة الاستقرار (الوسطية) تقل طاقة وضع البندول وهذا يعمل على زيادة سرعته بسبب الثقالة، وتزداد طاقة حركته. وبعد تعدية البندول النقطة الوسطية يبدأ عمل الثقالة ثانيا قتقل سرعته. والمعاملة الرياضية لهذه الحركة تعطينا العلاقة الآتية في كل لحظة:
أي أن مجموع طاقة الحركة و طاقة الوضع للبندول (رقاص) تكون دائما ثابتة.
تُستخدم السدود عموما لتخدم الغرض الأساسي ( للاحتفاظ بالمياه وتوليد الكهرباء).
وتُستغل طاقة الوضع الهائلة المختزنة في مياه الأنهار خلف السدود في توليد الطاقة الكهربائية في المحطات الكهرمائية. وفي تلك المحطات تتحول طاقة الوضع للماء أولا إلى طاقة حركة عند سقوط الماء من أعلى فيدير توربينا والذي يدير بدوره مولدا للكهرباء، وبذلك نحصل على الطاقة الكهربائية التي نستعملها لإنارة المنازل ولتشغيل المصانع. أعلى سد في العالم هو سد نورك بارتفاع 300 متر في طاجيكستان.
تعتمد قدرة محطة توليد مائية "P" على تدفق الماء "Q" (بالمتر المكعب في الثانية) وارتفاع تدفق الماء
"h" بالمتر و كفاءة "η" التوربين والمولد الكهربائي و المحول الكهربائي في تحويل طاقة الحركة إلى طاقة كهربائية.
وبالنسبة إلى الكفاءة فهي تحتسب بالتقريب بنحو 85% بالنسبة لمحطات القوى المائية.
حيث: g عجلة الجاذبية الأرضية، و "ρ" كثافة الماء كيلوجرام/متر.
مثال:
في توريد سد مائي يبلغ ارتفاعه 6 متر يمر ماء بحجم 20 متر مكعب / ثانية. بالتعويض عن تلك القيم في معادلة القدر نحصل على قدرة المحطة:
أي أن قدرة المحطة تبلغ 1020 كيلوواط
أي تبلغ 1.02 ميجاواط
وتختلف قدرة كل سد مائي في توليد الكهرباء بحسب أرتفاع منسوب الماء فيه وكمية الماء التي تندفع في التوربين أو التوربينات وكفاءة التوربين و المحول الكهربائي، كما تقول لنا معادلة القدرة. أكبر محطة لتوليد الكهرباء من سد مائي هي 18.000 ميجاواط وتوجد في الصين الشعبية.
تتميز محطات القوى التي تنتج الكهرباء من ماء السدود بدرجة كفاءة عالية. فكفاءة التوربينات والمولدات الكهربائية قد تصل إلى 90% في تحويل طاقة الحركة (اندفاع الماء) إلى طاقة كهربائية.
رأينا أن طاقة الوضع لجسم يحدده ارتفاعه عن سطح الأرض. فلنفترض الآن بطل حمل الأثقال الذي يقوم برفع 200 كيلوجرام إلى أرتفاع 2.5 متر، فما هو الشغل الذي يؤديه لرفع هذا الثقل؟
لدينا المعادلة التي تعطي طاقة وضع 200 كيلوجرام على ارتفاع 2,5 متر، وهي:
حيث:
وبالتعويض في المعادلة نحصل على:
V= 200. 9,81. 2,5
كما نعرف أن 1 جرام من السكر يعادل 16 كيلو جول. بالتالي نستطيع حساب كمية السكر التي تحترق في عضلات رافع الأثقال لرفع هذا الثقل:
وهذا هو الشغل الذي يؤديه رافع الأثقال لرفع 200 كيلوجرام إلى ارتفاع 2,5 متر. هذا مع إهمال جسم رافع الاثقال نفسه حيث يقوم من القرفصاء برفع الثقل.
ويمكنك بواسطة تلك المعادلة حساب الشغل الذي تبذله لصعود سلم ارتفاعه مثلا 100 متر، باعتبار أن وزنك (الكتلة) 60 كيلوجرام.