شرح قانون حفظ المادة

بواسطة: - آخر تحديث: ١١:٤٦ ، ١٢ أكتوبر ٢٠١٧
شرح قانون حفظ المادة

حفظ المادّة

قد يبدو مفهوم قوانين حفظ المادّة بأنّه مجموعةً من القوانين المخصصّة لحماية البيئة، ولكن في علم الفيزياء فإنّه يعبّر عن عدّة مبادىء خاصّة بجوانب معيّنة من جوانب الكون الماديّ والتي لا تتأثّر بالتفاعلات أو ردود الأفعال المختلفة؛ أي تبقى محفوظة، ومنها خصائص الطّاقة، والزخم الزاويّ، والزّخم الخطيّ، والكتلة؛ ولكن يمكن الحفاظ علي الكتلة بحالاتٍ قليلةٍ، ويظهر مبدأ حفظ المادّة في الحياة العمليّة من خلال بعض الأمثلة الشائعة كإسقاط الكرة مثالاً على حفظ الطّاقة، وحركة أداة التزّلج على الجليد كمثال على حفظ الزّخم الزاويّ، والارتداد الحاصل في البندقيّة بعد إطلاق الرصاصة كمثال على حفظ الزّخم الخطيّ.[١]


مبدأ قانون حفظ المادّة

تُشير القوانين الخاصّة بحفظ المادّة في علم الفيزياء إلى بقاء الخصائص الفيزيائيّة للمادّة ثابتة على الرغم من إجراء العديد من التغيّرات عليها، حيث تعبّر جملة "حفظ شيء ما" عن بقاء الشيء كما هو دون أي خسارة كليّة على مكونات محددة، وذلك يعني دخول مكوّن محدد من المادة ضمن تغيّرات معيّنة وخروجه بنفس المقدار دون أن يتأثّر، فعلى سبيل المثال في حالة وضع مقدار محدد من الطّاقة في نظام فيزيائي معيّن فإنّ كميّة الطّاقة الناتجة عن هذا النظام بعد إجراء التغييرات تكون مساوية للقيمة المدخلة.[١]


قوانين حفظ المادّة

قانون حفظ الزّخم الخطيّ

يُشير قانون الزّخم الخطيّ إلى حقيقة أنّه إذا كان هناك جسماً أو مجموعة من الأجسام في حالة الحركة فإنّها ستُحافظ على زخمها الخطيّ في النهاية، أي أنّه في حالة عدم التأثير على الأجسام بقوةٍ خارجيّةٍ فإنّ حاصل ضرب كل من متّجه الكتلة ومتّجه السرعة سيبقى ثابتاً.[٢]


يُحافظ الكون على الزّخم الخطيّ ثابتاً دائماً وذلك لأنّه نظاماً معزولاً؛ أي أنّه لا يوجد أي قوّة خارجيّة تؤثّر عليه، وبالتاليّ فإنّ مكوّنات الزّخم الخطيّ ستبقى ثابتة أيضاً، ونتيجةً لثبات الزّخم نتجت العديد من التطبيقات العمليّة التي تُعالج مشاكل الاصطدام، ومنها تشغيل الصواريخ بناءً على هذا المبدأ؛ فإنّ زيادة الزّخم في انطلاق الصواريخ إلى الأعلى يساوي الزيادة في الزّخم في انبعاث الغازات الناتجة من الصاروخ ولكن مع عكس الإشارة؛ أي إلى الأسفل.[٢]


قانون حفظ الزّخم الزاويّ

يعبّر قانون الزّخم الزاويّ عن أنّ الأجسام المتحرّكة بحركةٍ دائريّة تبقى محافظة على هذه الحركة ما لم تؤثّر عليها قوّة خارجيّة تقوم بلف الجسم، ويُطلق على هذه القوّة باسم العزم، ولذلك فإنّه يتشابه مع قانون الزّخم الخطيّ، أمّا قيمة الزّخم الزاويّ للأجسام فتتكوّن من حاصل ضرب الكتلة وبعد الجسم عن محور الدّوران، ومجموع السرعة الواقعة بشكلٍ عموديّ على خط محور الدوران.[٢]


قيادة الدراجات الهوائيّة مثال على حفظ الزّخم الزاويّ من الحياة العمليّة، حيث إنّ العجلات الدائريّة تدور نسبةً لسرعة القيادة، وبقاء العجلات في حالة حركة سيجعل من السهل المحافظة على دورانها ومن الصعب تغيير مقدار الزخم الزاويّ الخاص بها.[٣]


قانون حفظ الكتلة

يعبّر مفهوم حفظ الكتلة على أنّ أي نوع من أنواع المواد في هذا الكون لا يُمكن أن تُفنى أو تُستحدث، فعلى سبيل المثال فإنّ الكتلة المُستخدمة في إحدى العمليّات الفيزيائيّة أو الكيميائيّة كتحويل المادّة السائلة إلى غاز تبقى ثابتة؛ أي أنّ كتلة السائل المستخدمة تساوي كتلة الغاز الناتجة في حالة كان النظام معزولاً.[٢]


هناك رأي آخر وهو أنّ الكتلة غير محفوظة، ويظهر ذلك في نتائج العمليّات النووية، حيث إنّ هناك جزءاً صغيراً جداً من كتلة المادّة يتحوّل إلى طاقة أمّا بقيّة الكتلة فتبقى محفوظة.[٢]


قانون حفظ الشحنة

قانون حفظ الشحنة كقوانين حفظ المادّة السابقة فهو يعبّر عن أنّ الشحنة في نظامٍ معيّن تبقى محفوظة؛ وستبقى ثابتة في النظام في حالة كان معزولاً، حيث إنّه في أي نظام معزول؛ أي النظام الذي لا يجري فيه تبادل الكتلة والطاقة بينه وبين المحيط تبقى شحنته الكليّة ثابتة، فعلى سبيل المثال في حالة وجود نظام معزول يحتوي على جسمين، ويحمل هذا النظام شحنة متعادلة أي مقدارها صفر، فستبقى هذه الشحنة ثابتة في حالة كان أحد الأجسام المكوّنة للنظام يتبادل كمية كبيرة من الإلكترونات قد تصل إلى مليون إلكترون مع الجسم الآخر، وذلك لأنّ الجسم الأول الذي يستقبل الشحنات سيحمل الشحنة السالبة، والجسم الآخر الذي يفقد الشحنات سيحمل الشحنة الموجبة؛ وبالتالي ستكون الشحنة النهائيّة للنظام متعادلة "صفر" ولن تتغيّر، فنستنتج أنّه يمكن تغيير شحنة الأجسام المكوّنة للنظام من حيث اكتساب أو فقدان شحنات جديدة طالما أنّ شحنة النظام النهائيّة قبل اكتساب الشحنات أو خسارتها ستبقى ثابتة، حيث إنّ هذه العمليّة تعتبر طبيعية بين الأجسام المشحونة بشحناتٍ متنافرة أو متجاذبة.[٤]


كما يعتبر قانون حفظ الشّحنة مهمّاً جداً في العمليّات النووية، والتي تحتوي على أشعّة غاما، وألفا، وبيتا، وذلك لأنّه فضلاً للقانون سيستطيع العلماء التمكّن من تنبؤ النواتج النهائيّة للتفاعلات الحاصلة.[٤]


قانون حفظ الطّاقة

يعبّر مفهوم قانون حفظ الطاقة على أنّ الطاقة لا يمكن أن تُفنى أو تستحدث ولكن يمكن تغييرها من شكلٍ إلى آخر، فيمكن أن تتغيّر لتصبح أحد أشكال الطاقة المعروفة كالميكانيكيّة، والحركيّة، والكيميائيّة، وغيرها، ونتيجةً لحفظ الطّاقة فإنّ مجموع الطاقة الموجودة في نظامٍ معزول بأي شكلٍ من أشكالها ستبقى ثابتة، فعلى سبيل المثال عند سقوط جسم فإنّ طاقته تتغيّر من طاقة الوضع إلى الطّاقة الحركيّة ولكن كميّة الطاقة التي يمتلكها ستبقى ثابتة، وكما ذُكر سابقاً حول قانون حفظ الكتلة فإنّه يمكن تحويل جزء من كتلة الجسم إلى طاقة.[٢]


المراجع

  1. ^ أ ب "Conservation Laws", www.encyclopedia.com, Retrieved 8-10-2017. Edited.
  2. ^ أ ب ت ث ج ح : The Editors of Encyclopædia Britannica, "Conservation law"، www.britannica.com, Retrieved 8-10-2017. Edited.
  3. "conservation of angular momentum", whatis.techtarget.com,3-2016، Retrieved 8-10-2017. Edited.
  4. ^ أ ب Jordan Hanania, Kailyn Stenhouse, Jason Donev, "Law of conservation of charge"، energyeducation.ca, Retrieved 8-10-2017. Edited.