حفظ الطاقة الميكانيكية – الطاقة الحركية وطاقة الوضع على مسار

ماذا تعرض

تتبادل كرة تتحرك على مسار طاقة الوضع الجذبية Ep = mgh والطاقة الحركية Ek = ½mv². في غياب الاحتكاك لا تبذل شغلًا إلا الجاذبية، فتبقى الطاقة الميكانيكية E = Ep + Ek ثابتة: ترتفع الكرة إلى ارتفاع البدء نفسه على الجانب الآخر، وتكون سرعتها عند أدنى نقطة v = √(2gh) مهما كانت كتلتها. ومع معامل احتكاك μ أكبر من الصفر، يتحول جزء من الطاقة الميكانيكية إلى طاقة حرارية Q في كل مرور، فترتفع الكرة أقل في كل مرة ثم تتوقف في النهاية. يستخدم النموذج g = 10 m/s².

طريقة الاستخدام

اسحب الكرة إلى ارتفاع البدء واضغط «إطلاق الكرة». اضغط «إيقاف مؤقت» قرب قمة المسار وقاعه، وقارن عمودي Ep وEk بالقيم في سطر المعادلة. عند μ = 0 تحقّق من أن E تبقى مساوية للقيمة E₀؛ ثم زد μ ولاحظ ازدياد الحرارة Q بينما يُظهر منحنى الطاقة مقابل الزمن تناقص E. غيّر الكتلة أو شكل المسار وقارن السرعة عند أدنى نقطة.

المعاملات القابلة للتغيير

• كتلة الكرة 0.1–5 kg
• ارتفاع الإطلاق الابتدائي 0.5–5 m
• معامل الاحتكاك μ 0–0.5
• شكل المسار مسار على شكل وعاء (ينحدر من الجانبين نحو الوسط), منحدر متصل بجزء أفقي
• إظهار منحنى الطاقة مقابل الزمن

أسئلة للاستكشاف

1. عند أي نقطة من المسار تكون الطاقة الحركية أكبر ما يمكن وطاقة الوضع أصغر ما يمكن؟
2. إذا أُطلقت الكرة من ارتفاع 2 m دون احتكاك، فما سرعتها عند القاع؟ وهل تعتمد على كتلتها؟
3. عند وجود الاحتكاك، إلى أي شكل من أشكال الطاقة تتحول الطاقة الميكانيكية المفقودة؟