Nguvu ya kihafidhina na nguvu isiyo ya kihafidhina
1. Nguvu ya Kihafidhina
1.1 Uzito (w)
Chunguza kitu kinachosogea juu kwa wima hadi kufikia urefu wa juu zaidi kabla ya kushuka kuelekea nafasi yake ya awali. Unaposogea juu kwa wima kwa h, uzito uko kinyume na ule wa kuhama. Kwa hivyo, uzito hufanya kazi hasi kwenye kitu hicho.
W = wh (cos 180 o ) = – wh = – mgh
Baada ya kufikia urefu wa juu zaidi, kitu hushuka chini kuelekea nafasi yake ya awali kwa h. Wakati wa kushuka chini, uzito uko katika mwelekeo sawa na uhamishaji. Kwa sababu uko katika mwelekeo sawa na uhamishaji, uzito hufanya kazi chanya.
W = wh (kwa sababu 0 o ) = wh = mgh
Uzito wa kitu (m), kasi ya uvutano (g), na urefu (h) ni sawa, kwa hivyo kazi hufanywa kwa uzito kwani kitu huanza kusogea juu wima hadi kinaporudi kwenye nafasi yake ya awali ni sifuri.
W = mgh – mgh = 0
1.2 Nguvu ya Masika
Chunguza chemchemi iliyowekwa katika nafasi ya mlalo. Ikiwa ncha ya kulia ya chemchemi imesukumwa au kubanwa kushoto, chemchemi hutoa nguvu ya kusukuma kulia. Unaweza kuthibitisha hili kwa kubana chemchemi. Kwa mfano, weka kitu upande wa kulia, kisha bonyeza kitu upande wa kushoto. Baada ya chemchemi kupotoka kwa Δx, ondoa mkono wako kutoka kwa kitu na chemchemi. Wakati mkono haujagusana tena na chemchemi, chemchemi itasukuma kitu hicho kurudi kulia.
Kitu kinaposogea kushoto, mwelekeo wa mwendo wake na uhamaji wake ni kinyume na mwelekeo wa nguvu ya chemchemi. Kwa sababu maelekezo yanapingana, nguvu ya chemchemi hufanya kazi hasi.
W = – ½ k (Δx) 2
Kitu kinaposogea kulia, mwelekeo wa mwendo wake na uhamaji wake ni sawa na nguvu ya chemchemi. Kwa sababu maelekezo ni sawa, nguvu ya chemchemi hufanya kazi chanya.
W = ½ k (Δx) 2
Chemchemi inayotumika ni ile ile, kwa hivyo kigezo cha chemchemi (k) ni kile kile. Mkengeuko wa chemchemi (Δx) pia ni kile kile.
Kwa hivyo, kazi hufanywa kwa uzito wakati kitu kinapoanza kusogea kushoto kwa Δx na kisha kurudi kulia kwa Δx ni sifuri.
W = ½ k (Δx) 2 – ½ k (Δx) 2 = 0
Kazi hiyo inafanywa kwa uzito na nguvu ya chemchemi kwa kuwa kitu huanza kuhama kutoka nafasi yake ya awali hadi kinarudi, basi ni sawa na sifuri. Ikiwa kazi hiyo ilifanywa na nguvu kwa kuwa inahama kutoka nafasi yake ya awali hadi kinarudi, basi ni sawa na sifuri, nguvu hiyo inaitwa nguvu ya kihafidhina. Kwa hivyo, nguvu ya chemchemi na uzito ni mifano ya nguvu za kihafidhina.
2. Nguvu Isiyo ya Kihafidhina
Chunguza kitu kinachosukumwa kulia na kisha kusukumwa nyuma kushoto. Wakati kitu kinasogea au kuhamishwa kwenda kulia, mwelekeo wa kuhamishwa kwa kitu hicho ni sawa na mwelekeo wa nguvu ya kusukuma (F) na kinyume na mwelekeo wa nguvu ya msuguano wa kinetiki (f k ). Kwa kuwa iko katika mwelekeo sawa na kuhamishwa, nguvu ya kusukuma hufanya kazi chanya kwenye kitu hicho.
W = F s
Kinyume chake, nguvu ya msuguano wa kinetiki hufanya kazi hasi kwenye kitu.
W = – f k s
Kazi hiyo ilifanywa kwa nguvu ya kusukuma na nguvu ya msuguano kwenye kitu hicho wakati kitu kinapoanza kusogea kutoka nafasi yake ya awali hadi kinaporudi:
W = 2 F s
W = -2 f k s
Kazi hiyo inafanywa kwa nguvu ya msukumo na nguvu ya msuguano wa kinetiki kwa kuwa kitu kinaanza kuhama kutoka nafasi yake ya awali hadi kinarudi, hailingani na sifuri. Ikiwa kazi iliyofanywa na nguvu kwa kuwa kitu kinaanza kuhama kutoka nafasi yake ya awali hadi kinarudi, hailingani na sifuri, nguvu hiyo inaitwa nguvu isiyo ya kihafidhina. Kwa hivyo, nguvu ya msukumo na nguvu ya msuguano wa kinetiki ni mifano ya nguvu zisizo za kihafidhina.
1. Nguvu ya kihafidhina ni nini? Nguvu ya kihafidhina ni ile ambayo kazi inayofanywa katika kusogeza kitu kati ya nukta mbili haitegemei njia iliyochukuliwa. Nguvu za uvutano na umemetuamo ni mifano ya nguvu za kihafidhina.
2. Kazi inayofanywa na nguvu ya kihafidhina inahusianaje na nishati inayowezekana? Kazi inayofanywa na nguvu ya kihafidhina kwenye kitu kinachohama kutoka nukta A hadi nukta B ni sawa na mabadiliko hasi katika nishati inayowezekana (∆U) kati ya nukta hizo mbili: kwamba ikiwa kitu kinapata nishati inayowezekana, kazi inayofanywa na nguvu ya kihafidhina ni hasi, na kinyume chake.
3. Nguvu isiyo ya kihafidhina ni nini? Nguvu isiyo ya kihafidhina ni ile ambayo kazi inayofanywa katika kusogeza kitu kati ya nukta mbili inategemea njia iliyopigwa. Msuguano na upinzani wa hewa ni mifano ya kawaida ya nguvu zisizo za kihafidhina.
4. Nguvu isiyo ya kihafidhina huathirije nishati ya mitambo ya mfumo? Nguvu isiyo ya kihafidhina inaweza kubadilisha jumla ya nishati ya mitambo (jumla ya nishati ya kinetiki na inayowezekana) ya mfumo. Hii ni kwa sababu kazi inayofanywa na nguvu isiyo ya kihafidhina haihifadhiwi kama nishati inayowezekana lakini kwa kawaida hubadilishwa kuwa aina zingine za nishati, kama vile joto.
5. Mtu anawezaje kubaini kama nguvu ni ya kihafidhina au si ya kihafidhina kwa kutumia njia ya kitanzi kilichofungwa? Kwa nguvu ya kihafidhina, kazi ya wavu inayofanywa kwenye kitu baada ya kusafiri njia kamili ya kitanzi kilichofungwa ni sifuri. Ikiwa kazi ya wavu inayofanywa juu ya kitanzi kilichofungwa si sifuri, nguvu hiyo si ya kihafidhina.
6. Mkunjo wa uwanja wa nguvu una jukumu gani katika kubaini kama nguvu ni ya kihafidhina? Ikiwa mkunjo wa uwanja wa nguvu ni sifuri kila mahali angani, nguvu ni ya kihafidhina. Ikiwa mkunjo si sifuri, basi nguvu hiyo si ya kihafidhina.
7. Nishati ya uwezo wa uvutano inahusianaje na nguvu za kihafidhina? Nishati ya uwezo wa uvutano hutokea kutokana na asili ya kihafidhina ya nguvu ya uvutano. Ongezeko la urefu katika uwanja wa uvutano husababisha ongezeko la nishati ya uwezo wa uvutano, ilhali kazi inayofanywa na nguvu ya uvutano ni hasi, ikimaanisha kupungua kwa nishati ya uwezo wakati kitu kinaposogea karibu na Dunia.
8. Kwa nini msuguano hauna nishati inayoweza kuhusishwa kama nguvu zingine za kihafidhina? Msuguano ni nguvu isiyo ya kihafidhina; kwa hivyo, kazi inayofanywa na msuguano haihifadhiwi kama nishati inayoweza kuwezekana. Badala yake, mara nyingi hubadilishwa kuwa aina zingine, kama vile joto, na haiwezi kurejeshwa kikamilifu kama nishati ya mitambo.
9. Katika hali ambapo kitu kinateleza chini ya ndege iliyoegemea, nguvu za kihafidhina na zisizo za kihafidhina zina jukumu gani? Kitu kinapoteleza chini ya ndege iliyoegemea, nguvu ya uvutano, nguvu ya kihafidhina, hutenda kazi kwenye kitu hicho, na kubadilisha nishati yake inayowezekana kuwa nishati ya kinetiki. Ikiwa kuna msuguano kati ya kitu hicho na ndege iliyoegemea (nguvu isiyo ya kihafidhina), itapinga mwendo na kupunguza nishati ya kinetiki ya kitu hicho, na kugeuza baadhi yake kuwa joto.
10. Je, jumla ya nishati ya mfumo inaweza kuhifadhiwa hata kama nguvu zisizo za kihafidhina zinahusika? Ndiyo, jumla ya nishati ya mfumo (ikiwa ni pamoja na aina zote za nishati kama vile mitambo, joto, n.k.) huhifadhiwa kulingana na sheria ya uhifadhi wa nishati. Hata hivyo, nguvu zisizo za kihafidhina zinapofanya kazi, nishati ya mitambo (jumla ya nguvu za kinetiki na zinazowezekana) inaweza isihifadhiwe kwa sababu baadhi yake hubadilishwa kuwa aina zingine za nishati, kama vile joto au sauti.
