حجر يسقط فيدير بكرة، والبكرة تدير مولدًا صغيرًا، والمولد يضيء مصباحًا. ما الذي ينتقل من الحجر إلى المصباح ونحن لا نراه؟ إنها الطاقة. وفي الفيزياء لا نكتفي بوصف ما يحدث بالكلمات، وإنما نرسم له مخططات تبين من يؤثر في من، وكيف تنتقل الطاقة وتتحول. وهذا هو موضوع أول وحدة في الفيزياء للسنة الثانية ثانوي لشعب العلوم التجريبية والتقني رياضي والرياضيات: المقاربة الكيفية لطاقة جملة وانحفاظها. تسمى مقاربة كيفية لأننا نعالج فيها الطاقة بالوصف والمخططات قبل الحسابات التي تأتي في دروس لاحقة. تعرض هذه الصفحة السلسلة الوظيفية، ثم أفعال الأداء والحالة، ثم أشكال الطاقة، ثم السلسلة الطاقوية، ثم انحفاظ الطاقة والمردود، وتنتهي بأخطاء شائعة وتمارين محلولة.
أولًا: السلسلة الوظيفية
السلسلة الوظيفية مخطط بسيط نصف به تركيبًا تجريبيًا، يبين الأجسام المشاركة فيه وما يفعله كل جسم في الجسم الذي يليه.
كيف نرسمها؟
- نضع الأجسام التي تؤثر وتتأثر كل واحد في فقاعة (إطار). وكل فقاعة تمثل جملة ميكانيكية أو جسمًا.
- لا نضع في الفقاعات الأجسام الرابطة مثل الخيط والحبل والسلك والسلسلة والحزام، ولا الحوامل، لأنها لا تقوم بوظيفة بذاتها وإنما تصل بين الجمل.
- نصل بين الفقاعات بأسهم.
- فوق كل سهم نكتب فعل الأداء، وتحت كل فقاعة نكتب فعل الحالة.
أفعال الأداء وأفعال الحالة
- فعل الأداء هو الدور الذي يؤديه جسم لجسم آخر، ونكتبه بكلمة واحدة من الفعل المضارع على السهم: يدير، يغذي، يسخن، يدفع، يشغل.
- فعل الحالة هو الحالة التي يكون عليها الجسم حتى يستطيع أداء دوره: يسقط، يدور، يتوهج، يسخن.
مثال: الحجر والبكرة والمولد والمصباح
التركيب: حجر معلق بخيط يلتف على بكرة موصولة بمولد كهربائي (دينامو) متصل بسلكين بمصباح. نرسم أربع فقاعات: الحجر، البكرة، المولد، المصباح.
- الحجر يدير البكرة. حالة الحجر: يسقط.
- البكرة تدير المولد. حالة البكرة: تدور.
- المولد يغذي المصباح كهربائيًا. حالة المولد: يدور.
- حالة المصباح: يتوهج (أي يضيء ويسخن).
أما الخيط وسلكا التوصيل والحامل فلا توضع في فقاعات.
والصعوبة التي ينبه إليها الأستاذ أن التعبير قد يتعدد: فبدل «يسقط» يصح أن نقول «ينزل» أو «يتحرك»، وبدل «يضيء» يصح «يسخن». ولذلك نتجه إلى الاختصار والرموز لنتجنب حيرة اختيار الكلمة.
ثانيًا: أشكال الطاقة
الطاقة لا ترى، لكننا نتعرف عليها من آثارها. ومن أشكالها:
- الطاقة الحركية: يملكها كل جسم متحرك، وتزداد بزيادة كتلته وسرعته.
- الطاقة الكامنة الثقالية: يملكها الجسم بسبب موضعه المرتفع عن سطح الأرض، وتزداد بزيادة كتلته وارتفاعه.
- الطاقة الكامنة المرونية: يملكها نابض أو مطاط مشدود أو مضغوط.
- الطاقة الكيميائية: مخزنة في الروابط الكيميائية للوقود والغذاء والبطاريات.
- الطاقة الكهربائية: تحملها الشحنات الكهربائية المتحركة في الدارة.
- الطاقة الداخلية (الحرارية): مرتبطة بحركة الدقائق المكونة للمادة وتظهر في درجة الحرارة.
- الطاقة الضوئية (الإشعاعية): يحملها الضوء، ومصدرها الأول الشمس.
- الطاقة النووية: مخزنة في نوى الذرات.
ثالثًا: السلسلة الطاقوية
السلسلة الطاقوية مخطط ثان يتبع الطاقة نفسها: من أين تأتي وكيف تتحول إلى أين تذهب. وتتكون من ثلاثة أنواع من العناصر:
- مخزن (مستودع) الطاقة: جملة تحتفظ بالطاقة وتعطيها، كالحجر المرتفع والبطارية والخزان والنابض.
- محول الطاقة: جملة تحول الطاقة من شكل إلى آخر، كالبكرة والمولد والمحرك والتوربين.
- مستقبل الطاقة: جملة تستعمل الطاقة وتظهر آثارها، كالمصباح والمدفأة.
وتصل بينها أسهم تمثل أنماط انتقال الطاقة:
- النمط الميكانيكي: بواسطة عمل قوة.
- النمط الكهربائي: بواسطة التيار الكهربائي.
- النمط الحراري: بسبب فرق درجة الحرارة.
- النمط الإشعاعي: بواسطة الضوء أو الإشعاع.
مثال: سلسلة الحجر والمصباح
- مخزن: الحجر والأرض (طاقة كامنة ثقالية).
- سهم ميكانيكي إلى البكرة (محول).
- سهم ميكانيكي إلى المولد (محول إلى طاقة كهربائية).
- سهم كهربائي إلى المصباح (مستقبل).
- من المصباح سهمان: إشعاعي (الضوء) وحراري (التسخين).
مثال: السد الكهرمائي
ماء السد المرتفع (طاقة كامنة ثقالية) يسقط فيتحول إلى طاقة حركية، ويدير التوربين (محول ميكانيكي)، فيدير المولد الذي يعطي طاقة كهربائية تنتقل في الأسلاك إلى المنازل حيث تتحول إلى ضوء وحرارة وحركة.
رابعًا: انحفاظ الطاقة
مبدأ انحفاظ الطاقة: الطاقة لا تفنى ولا تستحدث من العدم، وإنما تتحول من شكل إلى آخر وتنتقل من جملة إلى أخرى. فمجموع الطاقة قبل التحول يساوي مجموعها بعده.
- الجملة المعزولة لا تتبادل الطاقة مع الوسط الخارجي، فتبقى طاقتها الكلية ثابتة.
- الجملة غير المعزولة تتبادل الطاقة مع الوسط الخارجي، فتزيد أو تنقص طاقتها بقدر ما تتلقى أو تعطي.
الطاقة المفقودة والمردود
عندما نقول إن الطاقة «ضاعت» فالمقصود أنها تحولت إلى شكل غير مفيد، وهو في الغالب حرارة تتبدد في المحيط بسبب الاحتكاك. فالمصباح العادي يحول معظم الطاقة الكهربائية إلى حرارة وجزءًا صغيرًا إلى ضوء. ولا تختفي الطاقة، وإنما لا ننتفع بها.
ونعرف المردود لأي محول بالنسبة بين الطاقة المفيدة الخارجة والطاقة الداخلة إليه:
المردود هو حاصل قسمة الطاقة المفيدة على الطاقة المستهلكة. ويكون دائمًا أقل من 1 أي أقل من 100% لأن جزءًا من الطاقة يضيع حرارة.
خطوات حل تمرين
- حدد العناصر المشاركة في التجربة.
- ارسم السلسلة الوظيفية: فقاعات وأسهم وأفعال أداء وأفعال حالة.
- حدد المخزن والمحول والمستقبل.
- أضف أنماط الانتقال على الأسهم.
- لا تنس الطاقة المفقودة حرارة.
أخطاء شائعة
- وضع الخيط أو الحامل أو الأسلاك داخل فقاعة.
- كتابة جملة كاملة مكان فعل الأداء بدل كلمة واحدة.
- الخلط بين فعل الأداء (ما يفعله الجسم) وفعل الحالة (ما يكون عليه).
- القول إن الطاقة تضيع أو تفنى. هي تتحول إلى حرارة غير مفيدة.
- الخلط بين أشكال الطاقة وأنماط انتقالها.
- نسيان أن المحول لا ينتج طاقة جديدة، وإنما يحول ما وصل إليه.
تمارين للتدرب
- سيارة تتحرك بالبنزين. حدد المخزن والمحول والمستقبل.
- لماذا يسخن المحرك الكهربائي أثناء عمله؟
- ما معنى أن مردود محول يساوي
0.8؟
الحلول:
- المخزن: خزان البنزين (طاقة كيميائية). المحول: المحرك. المستقبل: السيارة المتحركة (طاقة حركية)، مع ضياع جزء حرارة.
- لأن جزءًا من الطاقة الكهربائية يتحول بسبب الاحتكاك والمقاومة إلى طاقة حرارية.
- أن
80%من الطاقة الداخلة يتحول إلى طاقة مفيدة، وأن20%تضيع حرارة.
الشرح المصوّر
لمن يفضل المتابعة بالصوت والصورة، يقدم الأستاذ لخضر سيف الله في فيديو «الشرح المفصل لدرس المقاربة الكيفية لطاقة جملة وانحفاظها، السنة الثانية ثانوي» هذا الدرس في نحو تسع وأربعين دقيقة، وهو أول وحدة في الفيزياء للشعب الثلاث، ويشرحه بخمسة عناوين تبدأ بالسلسلة الوظيفية، مع وعد بأن التمارين ستأتي في حصص أخرى.