حديقة التزلج – حفظ الطاقة الميكانيكية
الفيزياءالطاقة والزخم15–16 سنة
جارٍ التحميل…
سجّل الدخول للتشغيليتحرك متزلج على مسار منحنٍ (اختر منحدرًا أو حلقة أو بئرًا مزدوجة، أو ارسم مسارك في «ساحة التجريب»). تتحول الطاقة الحركية وطاقة الوضع إحداهما إلى الأخرى أثناء حركة المتزلج؛ وعند تشغيل الاحتكاك يتحول جزء من الطاقة الميكانيكية إلى طاقة حرارية. وإذا دخل الحلقة ببطء شديد ترك المسار وطار في سقوط حر. مبنية على محاكاة «Energy Skate Park» من PhET Interactive Simulations، جامعة كولورادو بولدر (CC BY 4.0)؛ وأعيدت كتابتها.
الدرس: حفظ الطاقة الميكانيكية
ماذا تعرض
تتبع هذه المحاكاة متزلجًا على مسار أملس أو خشن. في غياب الاحتكاك تبقى الطاقة الميكانيكية ثابتة، فما يفقده المتزلج من طاقة الوضع Ep = mgh عند النزول يكسبه طاقة حركية Ek = ½mv²، ولذلك يعود دائمًا إلى ارتفاع الإطلاق نفسه. ومع الاحتكاك يتحول جزء من الطاقة إلى طاقة حرارية Q، فيبقى المجموع Ek + Ep + Q ثابتًا بينما تقل الطاقة الميكانيكية تدريجيًا حتى يستقر المتزلج في أدنى نقطة. وفي الحلقة يحتاج المتزلج إلى سرعة كافية عند القمة كي يبقى ملامسًا للمسار، وإلا تركه وتحرك حركة مقذوف.
طريقة الاستخدام
اختر لسانًا في الأعلى، ثم اسحب المتزلج إلى المسار وأفلته. في «مقدمة» اختر «شكل المسار» وقارن مخطط الطاقة «دائري» و«أعمدة». في «الاحتكاك» زِد «معامل الاحتكاك» وتابع نمو Q. في «المنحنيات» اختر «مقابل t» أو «مقابل الموضع». في «ساحة التجريب» اسحب المربعات السبعة لترسم مسارك. استخدم «إيقاف مؤقت» و«ابدأ» و«إعادة الضبط»، وفعّل «إظهار ارتفاع الإطلاق» للمقارنة.
المعاملات القابلة للتغيير
- الشاشة مقدمة, الاحتكاك, المنحنيات, ساحة التجريب
- شكل المسار (مقدمة/الاحتكاك/المنحنيات) منحدر, حلقة, بئر مزدوجة
- كتلة المتزلج 25–100 kg
- معامل الاحتكاك μ 0–0.6
- نوع مخطط الطاقة مخطط دائري, مخطط أعمدة
- المحور الأفقي للمنحنى (شاشة المنحنيات) مقابل الزمن, مقابل الموضع على المسار
- إظهار علامة ارتفاع الإطلاق
أسئلة للاستكشاف
- لماذا يعود المتزلج إلى ارتفاع الإطلاق نفسه عندما لا يوجد احتكاك؟
- عند زيادة كتلة المتزلج، هل تتغير سرعته عند أدنى نقطة؟ ولماذا؟
- ما أقل ارتفاع إطلاق تقريبًا يكفي ليجتاز المتزلج الحلقة دون أن يترك المسار؟
