البندقية التي تطلق المطاطات (قانون حفظ الطاقة)

شرح

في البندقية التي تطلق المطاطات نقوم بشد المطاطة، وعند إفلاتها من الشد تنقبض بسرعة وتطير بالاتجاه الذي أُفلِتت نحوه، أي من الملقط إلى الأمام. صحيح أنها بندقية بسيطة جداً، ولكنها تُمَثّلُ واحداً من أهم المبادئ الفيزيائية - المسمى "قانون حفظ الطاقة". ولكن علينا أولاً أن نُعرّف ما هي الطاقة لنفهم هذا القانون.

يتضح أن الأمر ليس سهلاً. على الرغم من أننا نصادف الطاقة وآثارها يومياً، يصعب علينا تعريف ماهيتها بدقة، وقد دار نقاش وجدَلٌ بين الكثير من الفيزيائيين والعلماء حول هذا الموضوع لسنوات كثيرة. في الواقع، ما زال الجدل قائماً حتى اليوم لدرجة أنه تقرر التنازل عن تعريف الطاقة في ويكيبيديا باللغة الانجليزية وما نجده هناك تحت المصطلح طاقة هو أمثلة على الطاقة، ليس إلا. أحد التعريفات الأكثر قبولاً للطاقة في أيامنا (وكما ذُكر آنفا ليس مقبولاً على الجميع) هو أن الطاقة هي مقدار يُمثّل كمية الشغل الذي يمكن لقوة أن تقوم به مستقبلاً. أي أنه إذا كانت هناك طاقة  لدى شخص ما، سيكون بمقدوره استخدامها للقيام بشغل. كلما كان للشيء طاقة أكبر سيكون بمقدوره القيام بشغل أكثر.

أحدى الأمور المهمة في الطاقة أنها لا تضيع وإنما هي تُبدّل شكلها فقط - من عملية إلى أخرى ومن غرض إلى آخر في تدحرج لا نهائي. عندما قمنا بشد المطاطة بذلنا طاقة عن طريق الشغل أي أننا أثّرنا بقوة لشد المطاطة لمسافة معينة. الشغل الذي بذلناه لم يختف - وإنما تم حفظه داخل المطاطة كـ"طاقة وضعية مَرِنة" (نوع من الطاقة التي تحفظ في الزنبركات والمطاطات). عندما تنفلت المطاطة تنطلق الطاقة مكتسية بلباس جديد: الطاقة الحركية، أي طاقة الحركة - وتطير المطاطة في الهواء.

اكتشف العالِم روبرت هوك قوانين قوى الزنبركات والمطاطات في القرن السابع عشر. وفقاً لهذه القوانين، تتعلق طاقة الزنبرك أو المطاطة بـِ "ثابت الزنبرك" - وهو مقدار يشير إلى مدى قساوة الزنبرك أو المطاطة عند شدها أو تقليصها - مضروب بمسافة شد الزنبرك مرفوعة للقوة 2. أي أنه إذا كانت مطاطة معينة مشدودة بمقدار يعادل ثلاثة أضعاف مطاطة أخرى، فإن المطاطة الأولى تحتوي على كمية طاقة تعادل تسعة أضعاف كمية الطاقة التي تحتوي عليها المطاطة الثانية. (لأن 3 مرفوعة للقوة 2 تساوي 9). ولذلك كلما بذلنا جهداً أكبر لشد المطاطة لمسافة أكبر فإنها تحتفظ بكمية أكبر من الطاقة الوضعية و تطير لمسافة أبعد عند إفلاتها. علينا ألا نشد المطاطة أكثر من اللازم لئلا تتمزق.

من الجدير ذكره

بما أن الطاقة تغير شكلها من عملية إلى أخرى ولكنها لا تضيع، بإمكاننا التحقق من المصدر الأول الذي أدى إلى تحريك أو بدء العملية عن طريق متابعتها إلى الوراء. مثلاً في هذه التجربة، تحركت المطاطة بسبب شحنها بطاقة وضعية مرنة أصلها من العضلات (التي بذلت الشغل لشد المطاطة)، حصلت العضلات على الطاقة عن طريق استغلال الطاقة الكيميائية التي في الغذاء الذي نأكله، ينقسم الغذاء الذي نأكله إلى قسمين: النباتات - التي تحصل على الطاقة من الشمس، ولحوم الحيوانات - التي تحصل هي الأخرى على الطاقة من النباتات التي تتغذى عليها. بما أن كل شيء يعود في نهاية الأمر إلى النباتات التي تحصل على الطاقة من ضوء الشمس، بإمكاننا أن نُجمِلَ الأمر ونقول إن مصدر حركة المطاطة هو ضوء الشمس الذي غيّر شكله مرارا وتكرارا إلى أن وصل إلى حركة المطاطة!

يمكننا، في الواقع، القيام بتجارب مشابهة على عمليات كثيرة من التي تحدث في العالم ونُبيّن بواسطتها أن مصدر الطاقة كلها (تقريباً) في العالم هو ضوء الشمس، ما عدا العمليات النووية مثل القنبلة الذرية والقنبلة الهيدروجينية والمفاعلات النووية.

من أين تحصل الشمس على طاقتها؟ تجدون الإجابة على هذا السؤال في المقال عن تدحرج أو تحولات الطاقة في الشمس، ولكن يمكننا أن نحدثكم باختصار أن الشمس تقوم بتحويل المادة إلى طاقة، وهذه هي الطريقة الوحيدة التي تُمَكّن من إنتاج طاقة جديدة في العالم، وذلك بحسب المعادلة التي اكتشفها الفيزيائي ألبرت أينشتاين.

الترجمة للعربيّة: خالد مصالحة