Physics · الكتاب 1 · Grades 1–9

الفيزياء في المرحلتين الابتدائية والإعدادية

الفيزياء في المرحلتين الابتدائية والإعدادية · Grades 1–9

29الطاقة في الحياة اليومية

لعبة ملفوفة تسرع على الأرض، ثم تبطئ، ثم تقف — حتى تلفّها من جديد. ومصباح يدوي يخفت بينما تتعب بطاريتاه. وأنت نفسك ينفد نفَسك قبل الغداء. فكل ما يتحرّك أو يضيء أو يُصوّت أو يُدفئ يبدو أنه ينفق شيئًا. وللفيزياء اسم لذلك الشيء، ولعلّه أهمّ كلمة في هذا الكتاب كله: الطاقة.

29.1 الشيء الذي يُنجز الأمور

تعريف 29.1 (الطاقة)

الطاقة هي ما يلزم لكي تحدث الأشياء: لتحريكها، ولرفعها، ولإضاءتها، ولتدفئتها، ولجعلها تُصوّت. فلا شيء يمضي أو يتوهّج أو ينمو من غير أن تُنفَق عليه طاقة — ومَن ينفق لا بدّ أن يكون عنده أولًا طاقة ينفقها.

تعريف 29.2 (مخازن الطاقة)

مخزن الطاقة كل ما يحمل طاقة مهيّأة للاستعمال. والمخازن اليومية الكبرى: الغذاء (وقود جسمك)، والوقود مثل الحطب والبنزين، والبطاريات المشحونة، والنابض الملفوف، والماء المحبوس عاليًا خلف سدّ — والشمس الساخنة، تصبّ الطاقة على كل شيء طوال النهار، مجّانًا.

مثال 29.3 (اصطد المخزن)

لكل شيء ماضٍ مخزن وراءه. فاللعبة المسرعة: نابضها الملفوف. والمصباح اليدوي: بطاريتاه. والسيارة: الوقود في خزّانها. وأنت: فطورك. والقارب الشراعي: الهواء المتحرّك في الريح. وحين يفرغ المخزن — فينفكّ النابض، وتنفد البطاريتان، ويجفّ الخزّان، ويقترب موعد الغداء — يتوقّف المضيّ.

ملاحظة 29.4 (لا مضيّ بلا تغذية)

طارد المخترعون قرونًا آلاتٍ تعمل إلى الأبد بلا شيء — عجلات تدير نفسها، وساعات لا تحتاج إلى لفّ. وفشلت كلها بلا استثناء واحد. وفشلها من أعمق دروس الفيزياء: أن الطاقة لا تُستحضَر من هواء. فكل ما يعمل يُغذَّى — فجِد المخزن تفهم الآلة.

29.2 الطاقة تغيّر شكلها

مثال 29.5 (أشكال الطاقة)

تُظهر الطاقة نفسها في أشكال مختلفة: طاقة الحركة في الكرة المتدحرجة والريح الهابّة؛ وطاقة الضوء تنسكب من المصباح والشمس؛ وطاقة الحرارة في كل ما هو دافئ؛ والطاقة الكهربائية تسافر في الأسلاك؛ والطاقة المخزونة تنتظر هادئة في الغذاء والوقود والنوابض والأشياء المرفوعة. الشيء نفسه، وأشكال كثيرة.

قضية 29.6 (سلسلة الطاقة)

كلما حدث شيء سُحبت الطاقة من مخزن ومُرّرت، وهي تغيّر شكلها في الطريق عادةً. وهي لا تُخلق من لا شيء — ولا تُفنى حقًّا أيضًا: فما “تستهلكه” الآلة لم يفعل إلا أن مُرّر، وينتهي في الغالب، عاجلًا أو آجلًا، دفئًا لطيفًا ينتشر في المحيط.

طريقة 29.7 (كيف تقرأ سلسلة طاقة)

لتفهم أي جهاز، تتبّع سلسلته:

  1. جِد المخزن الذي تأتي منه الطاقة؛
  2. وجِد المحوِّل — أي الجزء الذي تغيّر فيه الطاقة شكلها؛
  3. وسمِّ الأشكال الخارجة — النافع منها، والدفء المتسرّب إلى جانبه.

والمصباح اليدوي متتبَّعًا: بطارية (مخزن) \to مصباح (محوِّل) \to ضوء (نافع) ++ قليل من الدفء (وهو التسرّب — تحسّسه في المصباح).

سلسلة طاقة المصباح اليدوي: الطاقة المخزونة تصير ضوءًا — وينسلّ قليل من الدفء إلى جانبه دائمًا.
سلسلة طاقة المصباح اليدوي: الطاقة المخزونة تصير ضوءًا — وينسلّ قليل من الدفء إلى جانبه دائمًا.

مثال 29.8 (سلاسل في كل مكان)

ركوبك الصباحي متتبَّعًا: فطور (مخزن) \to عضلاتك (محوِّل) \to حركة الدرّاجة ++ دفء (تحسّ به — فأنت تتوهّج). ومزرعة الرياح: هواء متحرّك \to شفرات دائرة \to طاقة كهربائية في الأسلاك \to ضوء في مصباحك الليلة. والسدّ: ماء عالٍ \to ماء ساقط يدير العنفات \to طاقة كهربائية. وما السلاسل الطويلة إلا قصيرات موصولة: شكل بعد شكل بعد شكل.

سلسلة طاقة تراها من الطريق: هواء متحرّك يدير الشفرات، فترسل العنفات طاقة كهربائية إلى الأسلاك.
سلسلة طاقة تراها من الطريق: هواء متحرّك يدير الشفرات، فترسل العنفات طاقة كهربائية إلى الأسلاك.

29.3 الشمس على رأس المائدة

مثال 29.9 (أكثر السلاسل تبدأ عند الشمس)

تتبّع أكثر السلاسل إلى الوراء تصل إلى الشمس. الفطور؟ أنبتته نباتات التقطت ضوء الشمس؛ فحبوبك شمس معلَّبة. والريح؟ الشمس تُدفئ اليابسة على غير تساوٍ، والهواء المضطرب ريح — فحتى القوارب الشراعية تعمل بضوء الشمس. والحطب؟ ضوء شمس خزّنته الأشجار. وماء السدّ العالي؟ رفعته الشمس: بخّرت البحر، فأمطر البخار على الجبال. أما الألواح الشمسية فتتخطّى الوسطاء لا غير.

سلسلتان متتبَّعتان إلى منبعهما: فالفطور والريح كلاهما يبدأ عند الشمس.
سلسلتان متتبَّعتان إلى منبعهما: فالفطور والريح كلاهما يبدأ عند الشمس.

ملاحظة 29.10 (كلمة سنشحذها)

الطاقة إلى الآن قصة حسنة الحكي: مخازن وأشكال وسلاسل. فهل يمكن قياسها، مثل الطول بالأمتار والكتلة بالغرامات؟ نعم — فللطاقة وحدتها الخاصة ودفترها الحسابي الدقيق، وهما يأتيان في موضع لاحق من هذا الكتاب، بعد أن تلقى السرعة والقوة على أصولهما. والسلاسل التي تتتبّعها هذه السنة هي الخريطة؛ وستأتي الأعداد لتسكن فيها.

29.4 تمارين

تمرين 29.1

ما الطاقة، بكلمات هذا الفصل؟ وسمِّ أربعة أشياء لا تحدث من دونها.

حل

حل التمرين 29.1.

الطاقة هي ما يلزم لكي تحدث الأشياء. فبلا طاقة لا يستطيع شيء أن يتحرّك أو يُرفع أو يضيء أو يسخن أو يُصوّت — أيّ أربعة منها.

تمرين 29.2

جِد المخزن: فأر ملفوف يسرع؛ راكب درّاجة؛ نار مخيّم؛ قارب شراعي؛ مصباح يدوي.

حل

حل التمرين 29.2.

النابض الملفوف؛ وغذاء راكب الدرّاجة؛ والحطب المشتعل؛ والهواء المتحرّك في الريح؛ والبطاريتان.

تمرين 29.3

سمِّ خمسة أشكال للطاقة، مع مثال واحد لكل شكل من يومك أنت.

حل

حل التمرين 29.3.

الحركة (الكرة المتدحرجة)، والضوء (المصباح)، والحرارة (ماء الحمّام الدافئ)، والكهربائية (الأسلاك إلى محمصة الخبز)، والمخزونة (الفطور، وبطارية، ونابض ملفوف).

تمرين 29.4

تتبّع سلسلة طاقة محمصة الخبز، كما في الطريقة 29.7: مخزن، ومحوِّل، وأشكال خارجة.

حل

حل التمرين 29.4.

طاقة كهربائية من الجدار (يغذّيها، أبعد إلى الوراء، مخزن محطة توليد) \to الأسلاك المتوهّجة داخل المحمصة (محوِّل) \to حرارة نحو الخبز — مع قليل من الضوء، ذلك التوهّج البرتقالي، إلى جانبها.

تمرين 29.5

تتبّع السلسلة من بحيرة سدّ إلى مصباح قراءتك الليلة.

حل

حل التمرين 29.5.

ماء عالٍ (مخزن) \to ماء ساقط يدير العنفة (محوِّل) \to طاقة كهربائية في الأسلاك \to المصباح (محوِّل ثانٍ) \to ضوء، مع قليل من الدفء.

تمرين 29.6

هاتف “يموت”. فما الذي نفد حقًّا؟ وإلى أين ذهبت تلك الطاقة، وفق قضية السلسلة؟

حل

حل التمرين 29.6.

فرغ مخزن بطاريته. ولم تُفنَ الطاقة: بل أُنفقت على سلاسل النهار — إضاءة الشاشة، وصنع الصوت — وانتهت منتشرة دفئًا لطيفًا في الهاتف والغرفة.

تمرين 29.7

لماذا يسخن الحاسوب المحمول من تحت وأنت تستعمله؟ وأيّ حلقة من حلقات السلسلة تُظهر نفسها؟

حل

حل التمرين 29.7.

التسرّب: فكل محوِّل يمرّر بعض الطاقة دفئًا إلى جانب عمله النافع. ورقائق الحاسوب تحوّل طاقة كهربائية، والدفء من تحت هو القناة الجانبية التي لا مفرّ منها في السلسلة.

تمرين 29.8

بيّن أن القارب الشراعي يعمل بضوء الشمس، بتتبّع سلسلته إلى الوراء خطوة خطوة.

حل

حل التمرين 29.8.

الأشرعة تدفعها الريح؛ والريح هواء اضطرب فتحرّك لأن الشمس تُدفئ اليابسة والبحار على غير تساوٍ؛ فطاقة حركة القارب تصل، بحلقتين إلى الوراء، من ضوء الشمس.

تمرين 29.9 ★★

يعلن مخترع عن مصباح “لا يحتاج إلى بطارية ولا قابس ولا وقود — إنما يضيء إلى الأبد”. فأيّ درس من الملاحظة 29.4 يتحدّاه هذا الإعلان؟ وأيّ سؤال ينبغي أن تسأل المخترعَ أولًا؟

حل

حل التمرين 29.9.

أن الطاقة لا تُستحضَر من هواء — فكل ما يعمل يُغذَّى. والسؤال الأول: “ما المخزن، ومن أين يسحب المصباح منه؟” فإن لم يكن عند المخترع جواب فمصباحه من عشيرة عجلات الأبد: في درج الإخفاقات المشهورة.

تمرين 29.10 ★★

كرة مطّاطية تُسقط من ارتفاع الكتف ترتدّ أدنى فأدنى ثم تستقرّ ساكنة أخيرًا. يقول ليو: “فنيت طاقتها.” استعمل القضية 29.6 للدفاع عن نهاية أفضل للقصة — إلى أيّ شكل نهائي انسلّت طاقة الارتداد؟

حل

حل التمرين 29.10.

مُرّرت الطاقة ولم تُفنَ: فكل ارتداد أنفق شيئًا من طاقة حركة الكرة على عصر الكرة وعلى حكّ الهواء والأرض، وتنتهي تلك النفقات كلها همسةَ دفء في الكرة والأرض والهواء. منتشرة أكثر من أن تُجمع، لكنها لم تذهب.

تمرين 29.11 ★★

بعض البيوت تسخّن الماء في ألواح سوداء على السطح؛ وبعضها يطبخ بضوء الشمس ومرايا مقعّرة؛ والخلايا الشمسية تصنع كهرباء من ضوء النهار. اشرح عبارة “الألواح الشمسية تتخطّى الوسطاء لا غير” في المثال 29.9: مَن الوسطاء الواقفون بين الشمس ودفء نار الحطب؟

حل

حل التمرين 29.11.

بين الشمس ونار الحطب يقف الوسطاء: الأشجار، التي أنفقت سنوات في التقاط ضوء الشمس وخزنه خشبًا، والنار التي تفكّ المخزن أخيرًا. أما اللوح على السطح فيأخذ طاقة ضوء الشمس مباشرة — بلا شجرة ولا سنوات ولا نار.

المصطلحات المعرَّفة في هذا الفصل

عرض كل المصطلحات (393) في المسرد