طاقة الجهد التثاقلي

أن بعض الأجسام يمكنها أن تبذل شغلاً بفضل حركتها فيكون لديها طاقة حركة. لكن هناك أجسام أخرى تستطيع أن تبذل شغلاً إما بسبب موضعها أو بسبب شكلها، وعندئذ يقال أن مثل هذه الأجسام لها طاقة جهد ( أو طاقة وضع). لنبدأ دراستنا لطاقة الوضع بمناقشة الطاقة التي يكتسبها جسم بسبب قوى الجاذبية.

تأمل النظام المبين بالشكل 1)) الذي يمثل بكرتين لا احتكاكيتين تحملان جسمين متساوي الكتلة أي أن وزن الجسمين واحد ويساوي mg. وعليه ، فإذا دفع الجسم B دفعة صغيرة إلى أسفل فإنه سوف يبدأ في السقوط ببطء تجاه الأرضية بسرعة ثابتة المقدار، وسوف يبدأ الجسم A في الارتفاع إلى أعلى في نفس الوقت. وعندما يكون الجسم B دفعة صغيرة إلى أسفل فإنه سوف يبدأ في السقوط ببطء تجاه الأرضية بسرعة ثابتة المقدار، وسوف يبدأ الجسم A في الارتفاع إلى اعلى في نفس الوقت. وعندما يكون الجسم B قد سقط مسافة h تجاه الأرضية.

الشكل 1))

الآن نسأل: ما مقدار الشغل المبذول بواسطة الحبل على الجسم A أثناء رفعه من سطح الأرضية بسرعة ثابتة المقدار؟ حيث أن الشد في الحبل يساوي وزن الجسم A وهو mg فإن الشغل المبذول بواسطة الحبل، طبقاً لتعريف الشغل هو:

mgh = (المسافة) (الشد) = الشغل المبذول أثناء الرفع.

من أول ما هو العامل الخارجي الذي يبذل هذا الشغل؟ بما أن الجسم  B  يشد الجسم A إلى أعلى ، إذن الجسم B هو الذي يبذل الشغل. يستنتج من ذلك إذن أن الجسم B كان لديه القدرة على بذل الشغل عندما كان معلقاً في موضعه الابتدائي فوق الأرضية ، وكمية الشغل التي يمكن أن يبذلها الجسم B تساوي mgh ، حيث h المسافة التي يسقط منها الجسم B. بناء على ذلك يمكننا وضع التعريف الآتي:

(1)         mgh = طاقة الجهد التثاقلي (CPE)

ومرة أخرى تكرر ان وحدة GPE في النظام SI مثلها في ذلك مثل جميع أشكال الطاقة ، هي الجول .

من الجدير بالذكر أن طاقة الهد التثاقلي لا يمكن تعيين قيمتها المطلقة. بل أنها تعتمد على الموضع الرأسي المستخدم كنقطة إسناد مرجعية. فإذا اختار شخصان مختلفان مستوي إسناد مختلفين لحساب GPE في حالة معينة ما فإنها سيحصلان قيمتين تختلف إحداهما عن الأخرى بمقدار ثابت معين. لنأخذ على سبيل المثال حالة الكرة المبينة بالشكل 2)). إذا اعتبر شخص ما أن سطح المنضدة هو مستوى الإسناد ستكون GPE للكرة mgh1 ، ولكن شخصاً آخر يختار مستوى الأرضية كمستوى إسناد سيقول أن GPE للكرة هي mgh₂. كلتا القيمتان صحيحتان طالما كان مستوى الإسناد معرفاً.

الشكل 2))

الكمية التي لها معنى من وجهة نظر الفيزياء هي التغير في طاقة الوضع نتيجة لتغير الموضع الرأسي للجسم. فإذا سقطت الكرة المبينة في الشكل 2)) مسافة قدرها 1 m فإن التغير في موضعها سيكون واحداً بالنسبة لأي مستوى إسناد نختاره.