ما هي طاقة الوضع التثاقلية؟
طاقة الوضع التثاقلية هي الطاقة التي يختزنها الجسم بفضل موقعه داخل مجال الجاذبية. عندما ترفع كتابًا وتضعه على رفّ، فإنك تمنحه طاقة وضع؛ وعندما تتركه يسقط تتحوّل هذه الطاقة إلى حركة. تحسب هذه الأداة طاقة الوضع انطلاقًا من ثلاثة مدخلات — الكتلة والارتفاع وتسارع الجاذبية — وتعرض النتيجة بوحدة الجول (J)، وهي وحدة الطاقة في النظام الدولي. هذه المبادئ الفيزيائية كونية تنطبق في كل مكان ولا تخصّ دولة بعينها.
القانون
تُحسب الطاقة وفق المعادلة التالية:
- $$PE = m \cdot g \cdot h$$
- \(m\) = كتلة الجسم بالكيلوغرام (kg)
- \(g\) = تسارع الجاذبية بالمتر لكل ثانية مربعة (م/ث²)
- \(h\) = الارتفاع عن نقطة المرجع بالمتر (m)
على سطح الأرض، تبلغ قيمة \(g\) نحو 9.81 م/ث². أما على القمر فهي حوالي 1.62 م/ث²، وعلى المريخ نحو 3.72 م/ث²، ولذلك يختزن الجسم نفسه قدرًا مختلفًا من طاقة الوضع على كل كوكب.
كيفية استخدام الحاسبة
- أدخل كتلة الجسم بالكيلوغرام.
- أدخل الارتفاع بالمتر، مقيسًا من المستوى الصفري الذي تختاره (غالبًا سطح الأرض).
- أدخل قيمة \(g\)، أو اترك القيمة الافتراضية للأرض وهي 9.81 م/ث².
- اقرأ طاقة الوضع بوحدة الجول.
تذكّر أن الارتفاع نسبي دائمًا — أنت من يحدّد أين تكون النقطة "الصفر". فقد يختلف مقدار طاقة الوضع للجسم نفسه تبعًا لما إذا كنت تقيس من أرضية الغرفة أو من القبو.
مثال محلول
لنفترض أن كتابًا دراسيًا كتلته 2 كجم موضوع على رفّ يرتفع 1.8 م عن الأرض على سطح الأرض:
- طاقة الوضع = \(m \cdot g \cdot h\) = $$2 \times 9.81 \times 1.8$$
- طاقة الوضع = 35.32 جول
هذه الطاقة البالغة 35.3 جول ستتحرر على شكل طاقة حركية لو سقط الكتاب إلى الأرض.
الأسئلة الشائعة
هل يمكن أن تكون طاقة الوضع سالبة؟ نعم، إذا كان الجسم أسفل نقطة المرجع التي اخترتها. فالمهم فيزيائيًا هو فروق طاقة الوضع فقط، وبالتالي تشير الإشارة ببساطة إلى الاتجاه الذي سيتحرك فيه الجسم.
ماذا يحدث للطاقة عندما يسقط الجسم؟ تتحوّل إلى طاقة حركية (\(\tfrac{1}{2}mv^2\)). وبإهمال مقاومة الهواء، تتحوّل كامل طاقة الوضع إلى طاقة حركة لحظة الارتطام.
لماذا نستخدم 9.81 وليس 10؟ القيمة 9.81 م/ث² هي المتوسط المعتمد لجاذبية الأرض. أما استخدام 10 فهو تقريب سريع يؤدي إلى خطأ يبلغ نحو 2%.
