ما هو مصدر الطاقة الحركية الناتجة من سقوط جسم ما؟

تخيّل بأنّ لدينا جسمين بحجمِ كوكبٍ في الفضاء السّحيق، موضوعين جنبًا إلى جنب، (وهذا لا يعني أنّهما يدوران حول بعضهما). سوف يتسارع كلاهما نحو الآخر في ظلّ قوّة الجاذبيّة المشتركة، وسيصطدمان في النّهاية.

حتّى نكون واثقين من ذلك؛ لنفترض أنّنا وضعنا الجسمين قرب بعضهما بشكلٍ مناسبٍ، حيث إنّهما سيصطدمان ببعضهما تحت نطاقٍ زمنيٍّ أقلّ بكثير من التّوسّع الكونيّ – مع الأخذ بعين الاعتبار أنّ الكون ساكنٌ – سيصطدم الجسمان فقط، في حال إذا كانا لا يمتلكان سرعات نسبيّة، أو أيّ زخمٍ زاويّ.





بالمعنى الكلاسيكيّ، كنّا نظنّ أنّ “الشّغل الفيزيائيّ (Work)” يضطلع بتحريكهما، وبالتّالي، تُستهلك الطّاقة.

الشّغل، هو تكاملٌ ناتج عن قوّة الجاذبيّة (أو القوّة المُؤثّرة)، والمسافة بين الجسمين (أو الّتي تحرَّكها الجسم)، لذلك، فإنّ الشّغل هنا يكون قد حصل بالفعل. وكن حذرًا عندما نُشير إلى أنّ الطّاقة تكون قد نفدت في هذه الحالة. لو افترضنا بأنّ النّظام مغلق؛ بمعنى أنّ الحرارة لن تفلت من كلا الجسمين (افتراض رائع، حتّى نقطة تصادم الجسمين مع بعضهما)، حينها، ستكون طاقة النّظام محفوظة بشكلٍ كاملٍ. من الممكن أن نقصد في قولنا “نفاد الطّاقة”، أنّ الأجسام تخسر طاقة الوضع الثّقاليّة (Gravitational potential energy)، وتكتسب طاقة حركيّة (Kinetic energy) خلال السّقوط. لذلك، يوجد هنا “تبادلٌ للطّاقة”، إذا صحّ التّعبير، بين طاقة وضع النّظام، وصافي الطّاقة الحركيّة. لكن، الطّاقة لا تُفقد.



ما هو مصدر الطاقة؟


في ضوء ما تَقدّم، فإنّ مصدر الطّاقة، هو قوّة الوضع الثّقاليّة. في الحقيقة، إنّك تقوم بنقل هذه الطّاقة إلى النّظام، عن طريق وضع الأجسام في الفضاء في مسافة محدّدة. لتوضيح الصّورة، نستطيع وضع كُرَتي فلّين مُقوّى (السّتايروفورم؛ بوليستيرين بشكلٍ مُعيّن) على كِلا رأسي نابض، ثم نقوم بتمديد أو شدّ النّابض، وترك الكرات تنطلق معًا. وعندما تُمدّد النّابض، فإنّك تقوم بإحداثِ شغلٍ لتخزين طاقة الوضع في النّابض. أمّا عندما تُفلت النّابض، ويقوم بسحبِ الكُرتَيْن معًا؛ تتحوّل طاقة الوضع المُخزّنة في النّابض، إلى طاقةٍ حركيّةٍ مُتمثّلة بالكرتين المربوطتين (بغضّ النّظر عن الحرارة المُتبدّدة في النّابض).

الآن، تسأل نفسك من أين أتت الطّاقة في الكُرتين المُتحرّكتين؟ الجواب: عن طريقك أنت! عندما أحدثت شُغلًا أثناء وضع الكرات على مسافة متباعدة من خلال بسط أو شدّ النّابض إلى الخارج. وينطبق هذا على الجاذبيّة في المثال الّذي ذُكِر: أحدٌ ما أو شيءٌ ما أحدث شُغلًا أثناء وضع الكرات على مسافة متباعدة (تخيّل حجم الشّغل الّذي ستُحدثه لحملِ كرة بولينغ إلى الطّابق العلويّ من ناطحةِ سحابٍ، مُستخدمًا السّلالم أو الدّرجات، أنت تُحدث بالفعلِ شُغلًا لفصل الجسم الأوّل «الكرة»، عن الجسم الثّاني «الأرض»). تتحوّل بعد ذلك قوّة الوضع الثّقاليّة في النّظام، إلى طاقةٍ حركيّةٍ، في حين تسحب قوّة الجاذبيّة الجسمين نحو بعضهما.