مروری بر انرژی های جنبشی و پتانسیل

انرژی توانایی انجام کار است. 

یعنی برای انجام کارها، 

متوقف کردن چیزی یا به حرکت درآوردن چیزی نیاز به انرژی داریم. 

واحد انرژی ژول است. 

انرژی به دو نوع وجود دارد:

 انرژی جنبشی (حرکتی):

 هر جسم دارای حرکت دارای انرژی جنبشی است. 

انرژی جنبشی به سرعت حرکت جسم و جرم آن بستگی دارد.

 هرچه سرعت حرکت بالاتر باشد و جرم جسم بیشتر باشد

 میزان انرژی جنبشی بیشتر است. 

 انرژی ذخیره ای (پتانسیل):

 انرژی پتانسیل انرژی است که در مواد ذخیره میشود 

مثل انرژی ذخیره شده در مواد غذایی یا مواد سوختی.

وقتی فنری کشیده یا فشرده میشود 

و یا وزنه ای از سقف آویزان میشود دارای انرژی ذخیره شده است.

 انرژی پتانسیل به ارتفاع جسم از سطح زمین و جرم جسم بستگی دارد. 

هرچه جرم جسم بیشتر باشد و ارتفاع بیشتری از سطح زمین داشته باشد 

میزان انرژی پتانسیل بیشتر میشود. 

 بنابر این انرژی جنبشی به انرژی جسم در حرکت گفته میشود 

به این معنی که انرژی جنبشی یک جسم ناشی از حرکت آن است.

در مکانیک نیوتنی (کلاسیک) اشیاء ماکروسکوپی

 (قابل مشاهده با چشم غیر مسلح) 

در کسر کوچکی از سرعت نور حرکت میکنند.

 انرژی جنبشی (E) یک جسم به صورت

 نیمی از جرم آن (m) ضربدر مجذور سرعت (v) آن جسم محاسبه میشود.

E = ½ mv2

انرژی کمیتی اسکالر (عددی) است. 

کمیت اسکالر به جهت بستگی ندارد و همیشه عددی مثبت است.

 وقتی جرم جسمی را دو برابر میکنیم، انرژی دو برابر میشود 

و وقتی سرعت را دو برابر میکنیم طبق فرمول، انرژی چهار برابر میشود.

البته مهم ترین خاصیت انرژی جنبشی،

 توانایی آن برای انجام کار است. 

کار به عنوان نیرویی که بر روی یک جسم

 و در جهت حرکت اعمال میشود، توصیف میشود.

 ارتباط کار و انرژی با هم به قدری نزدیک است که

 میتوان این دو کمیت را به یکدیگر تبدیل کرد.

شما به برای بلند کردن یک جسم سنگین، باید کار انجام دهیم

 تا بر نیروی گرانش غلبه کنیم و جسم را به سمت بالا حرکت دهیم. 

اگر جسم دو برابر سنگین تر است، 

دو برابر کار میبرد تا آن را در همان فاصله بالا ببریم. 

همچنین دو برابر کار لازم است تا

 همان شیء را دو برابر این فاصله بلند کنیم.

به طور مشابه، برای سر یا هل  دادن 

یک جسم سنگین از این سو به آن سو روی کف زمین،

 باید بر نیروی اصطکاک بین جسم و کف زمین غلبه کنیم. 

کار مورد نیاز متناسب است با 

وزن جسم و فاصله ای که حرکت کرده است. 

اما انرژی پتانسیل، قابل ذخیره شدن است. 

 انرژی پتانسیل صورتی ازانرژی  است که 

در یک سامانه  به‌صورت نهفته وجود دارد 

و قابل تبدیل به انرژی جنبشیمیباشد. 

به‌طور مثالانرژی پتانسیل شیمیایی نهفته در مواد غذایی

 پس از فعل و انفعالات شیمیایی در ماهیچه‌ها

 تبدیل به انرژی جنبشی میگردد. 

در سیستم SI واحد محاسبه کار و انرژی، ژولاست.

همانطور که میدانیم که انرژی حفظ میشود و نمیتواند ایجاد یا نابود شود، 

فقط از شکلی به شکل دیگر تبدیل میشود. 

 به عنوان مثال هنگامی که تلویزیون روشن میکنیم

 و مأموریت رفت و برگشت سفینه‌ای فضایی را به تماشا می‌نشینیم، 

در واقع از انرژی الکتریکی استفاده می‌کنیم که از

 انرژی پتانسیل گرانشی آب ذخیره شده در پشت سد حاصل میشود.

شخصی که روی پله نردبانی ایستاده است. 

جسمی که بر روی طاقچه قرار دارد. 

سنگی که بالای کوه قرار دارد.همه دارای انرژی ذخیره شده هستند.

این نوع انرژی که جسم فقط به علت ارتفاعش از سطح زمین دارد،

انرژی پتانسیل گرانشی نام دارد.

یکای اندازه گیری انرژی پتانسیل گرانشی( U ) ، ژول (j) میباشد

 یا تبدیلانرژی پتانسیل شیمیایی موجود 

در سوخت موشکها به انرژی جنبشی است،

 که سفینه از سکوی پرتاپبه فضا پرتاب میشود.

باتریهای مورد استفاده از فلاش دوربینها یا در رادیوهای کوچک، 

بنزین مصرفی برای راندن اتومبیلی و بالاخره، 

غذایی که میخوریم همه و همه محتوی انرژی پتانسیل هستند.

همانطور که قبلا اشاره شد 

انرژی پتانسیل، نوعی انرژی ذخیره شده است. 

انرژی پتانسیل، اثری سیستمی است

 و برای جسمی کاملاً منزوی وجود ندارد. 

جسم به اعتبار خود کمیت مکانی‌اش نسبت به 

سایر اجسامی که بر آن نیرو وارد میکنند

 یا به دلیل موقعیت مکانی‌اش 

در میدانی که بر آن نیرو وارد میکنند،

 دارای انرژی پتانسیل است. 

هیچ جسم منفردی انرژی پتانسیل ندارد. 

همه اجسامی که بر هم کنش متقابل دارند، 

بطور جمعی انرژی ذخیره میکنند.

توپی که روی میز است انرژی پتانسیل گرانشی دارد 

و این به گونه‌ای است توپ 

و زمین هر دو در ذخیره‌سازی این انرژی سهیمند. 

این انرژی از آنجا ناشی میشود که

 زمین و توپ بر یکدیگر نیرو وارد می‌کنند.

 اگر توپ با زمین در مکان خود نبودند 

انرژی پتانسیل گرانشی نمیتوانست وجود داشته باشد. 

در دور و میدان نیز انرژی پتانسیل 

از فضایی که میدان وجود دارد ذخیره میشود.

تغییرات انرژی پتانسیل ممکن است به

 پیدایش انرژی جنبشی، انرژی الکتریکی، یا انرژی گرمایی منجر شود.

در واقع ، این تغییرات انرژی پتانسیل است که

 در خور اهمیت است نه مقدار آن قبل یا بعد تغییر.

 اگر چه مکانی که در آن انرژی پتانسیل صفر میتواند انتخاب مفیدی باشد 

به مانند سطح دریا به عنوان مبنای صفر انرژی پتانسیل گرانشی زمین

 و یا سطح داخلی خازن استوانه ای 

 به عنوان مبنای صفر انرژی الکتریکی ذخیره شده در آن ،

 اما این انتخابها هیچ یک الزامی نیست. 

زیرا آنها اختلاف انرژی پتانسیل بین مکانهای مختلف است که اهمیت دارد.

اندازه اختلاف پتانسیل هرگز هیچ ربطی به چگونگی پیدا شدن آن ندارد. 

یعنی این تغییر مستقل از مسیر است.

 این یکی از ویژگیهای اساسی انرژی پتانسیل است.

همانطور که در بالا اشاره شد تغییرات انرژی پتانسیل ممکن است 

به پیدایش انرژی جنبشی ، انرژی الکتریکی  ، یا انرژی گرمایی منجر شود.

 فناوری نوین بر همین پایه استوار است، دستیابی به چنین تغییری 

به پایداری انرژی ذخیره شده بستگی دارد.

 برای انرژی پتانسیل سه نوع منحنی میتوان در نظر گرفت:

 اگر چه این سخنها معرف همه حالتها نیستند، اما نشان میدهند 

که چگونه انرژی پتانسیل ممکن است با مکان تغییر کند.

میتوان جسم کوچکی مثل

 گلوله‌ای مرمرین را روی یک کاسه وارونه (در حالت ناپایدار) ، 

درون کاسه (در حالت پایدار) یا در فرورفتگی کاسه وارونه‌ای که لبه دارد

 (در حالت شبه پایدار) در نظر گرفت. 

آنگاه کاسه نقش منحنی انرژی پتانسیل  هسته ای را خواهد دانست.

در حالت پایدار تغییر نامحتمل است.

• در حالت شبه پایدار غلبه برسد پتانسیل (یعنی بالا رفتن از لبه)
•  مستلزم انرژی اضافی است، 
• مثلا این انرژی اضافی می‌تواند از جرقه‌ای که بخار بنزین
•  را در سیلندرهای موتور خودرو و مشتعل میکند ناشی میشود.
•  در برخی موارد نادر هیچ انرژی اضافی لازم نیست. 
• مثل وقتی که ذره‌ای در هسته اتم سد پتانسیل را 
• طی فرآیندی به نام تونل زنی سوراخ میکند.