Joule's Paddle Wheel — Where Lost Energy Goes

الميكانيكا متوسط مجاني VR · AR
Joule's Paddle Wheel — Where Lost Energy Goes – الميكانيكا
Joule's Paddle Wheel — Where Lost Energy Goes – الميكانيكا

إلى أين تذهب الطاقة حين تبدو وكأنها اختفت — حين تصطدم سيارتان وتنبعجان، أو حين يسقط ثقل ولا يرتدّ؟ في أربعينيات القرن التاسع عشر أجاب جيمس بريسكوت جول بأثقال هابطة ومجاديف وميزان حرارة. هذه نسخة مخبرية من فكرته: ثقلان من الرصاص معلّقان بحبلين ملفوفين على أسطوانة، وحين يهبطان تُدير الأسطوانة محورًا يحمل أربعة صفوف من مجاديف النحاس الأصفر داخل وعاء نحاسي معزول فيه ماء، يظهر مقطوعًا لنرى داخله. وتمنع ريش ثابتة على جدار الوعاء الماءَ من الدوران كتلةً واحدة، فتقلّبه المجاديف. اضغط زر التشغيل فيهبط الثقلان ‎20‎ مرة، ويُرفعان من جديد بين كل هبوطين، بينما تُظهر لقطة مقرّبة داخل الوعاء، ويرتفع عمود ميزان الحرارة شيئًا فشيئًا، ويجمع الرسم البياني نقطة لكل هبوط.

كيف تستخدم هذه المحاكاة

ما الذي تلاحظه

الفيزياء وراءها

في كل هبوط يفقد الثقلان طاقة وضع مقدارها ‎2mgh = 2 × 10 × 9.8 × 1.50 = 294 جول‎. ولا تزداد سرعتهما: فمقاومة المجاديف تكبر مع مربع السرعة، فيستقرّ الثقلان خلال أجزاء من الألف من الثانية على سرعة ثابتة ‎6.0 سم/ث‎، ويصلان إلى الأسفل بطاقة حركة ‎½ × 20 × 0.060² = 0.036 جول‎ فقط تذهب إلى وسادتي اللبّاد. أما الباقي، ‎293.96 جول‎، فهو شغل تبذله المجاديف على الماء، ويظهر طاقةً داخلية للماء والنحاس اللذين يشتركان في درجة حرارة واحدة. سعتهما الحرارية ‎C = 0.60 × 4186 + 0.50 × 385 = 2511.6 + 192.5 = 2704 جول/كلفن‎، فكل هبوط يرفع درجة حرارتهما ‎0.109 كلفن‎، والهبوطات العشرون في الجولة، أي ‎5880 جول‎، ترفع الماء من ‎20.00 °C‎ إلى ‎22.17 °C‎. والحساب يُغلق تمامًا: ‎n·2mgh = CΔT + n·Eₖ‎. ويبقى الشغل مقسومًا على الارتفاع في درجة الحرارة ‎2704 جول/كلفن‎ بعد كل هبوط، فتقع نقاط الرسم على خط مستقيم واحد يمر بنقطة الأصل ميله ‎1/C‎: ضعف الشغل يعطي ضعف الارتفاع. وهذا هو الدليل على أن الطاقة لم تُفقد. وطاقة الحركة التي «تختفي» حين يتصادم جسمان ويلتحمان تسلك الطريق نفسه — إلى طاقة داخلية، أي تسخين طفيف للجسمين. وبهذا الاستدلال نفسه قاس جول المكافئ الميكانيكي للحرارة؛ أما الأرقام هنا فهي أرقام هذه النسخة المخبرية لا أرقام جهازه.

Joulemechanical equivalent of heatinternal energyworkheat capacityconservation of energyinelastic collision3D