المحاضرة (9)

الشغل والطاقة

Work and Energy  

إن مفهوم الشغل والطاقة مهم جداً في علم الفيزياء، حيث توجد الطاقة في الطبيعة في صور مختلفة مثل الطاقة الميكانيكية Mechanical energy، والطاقة الكهرومغناطيسية Electromagnetic energy، والطاقة الكيميائية Chemical energy، والطاقة الحرارية Thermal energy، والطاقة النووية Nuclear energy.  إن الطاقة بصورها المختلفة تتحول من شكل إلى آخر ولكن في النهاية الطاقة الكلية ثابتة.  فمثلا الطاقة الكيميائية المختزنة في بطارية تتحول إلى طاقة كهربية لتتحول بدورها إلى طاقة حركية. ودراسة تحولات الطاقة مهم جداً لجميع العلوم.

وفى هذا الجزء من المقرر سوف نركز على Mechanical energy.  وذلك لأنه يعتمد على مفاهيم القوة التي وضعها نيوتن في القوانين الثلاثة، ويجدر الذكر هنا أن الشغل والطاقة كميات قياسية وبالتالي فإن التعامل معها سيكون أسهل من استخدام قوانين نيوتن للحركة، وذلك لأننا كنا نتعامل وبشكل مباشر مع القوة وهى كمية متجهة.  وحيث أننا لم نجد أية صعوبة في تطبيق قوانين نيوتن وذلك لأن مقدار القوة المؤثرة على حركة الأجسام ثابت، ولكن إذا ما أصبحت القوة متغيرة وبالتالي فإن العجلة ستكون متغيرة وهنا يكون التعامل مع مفهوم الشغل والطاقة اسهل بكثير في مثل هذه الحالات.

 ولكن قبل أن نتناول موضوع الطاقة فإننا سوف نوضح مفهوم الشغل الذي هو حلقة الوصل ما بين القوة والطاقة.

والشغل قد يكون ناتجاً من قوة ثابتة constant force أو من قوة متغيرة varying force.  وسوف ندرس كلا النوعين في هذا الفصل.

Work done by a constant force

اعتبر وجود جسم يتحرك إزاحة مقدارها s تحت تأثير قوة F، وهنا سوف نأخذ حالة بسيطة عندما تكون الزاوية بين متجه القوة ومتجه الإزاحة يساوي صفراً وفي الحالة الثانية عندما تكون هناك زاوية بين متجه الإزاحة ومتجه القوة وذلك للتوصل إلى القانون العام للشغل.

  قوة منتظمة في اتجاه الحركة

The work in this case is given by the equation

W = F s    

  قوة منتظمة تعمل زاوية مع اتجاه الحركة

The work in this case is done by the horizontal component of the force

W = F cosq s      

The above equation can be written in the directional form as dot product

The unit of the work is N.m which is called Joule (J).

Example

Find the work done by a 45N force in pulling the luggage carrier shown in Figure 4.2 at an angle q = 50^o for a distance s = 75m.

 Solution

According to equation above  the work done on the luggage carrier is

            W = (Fcosq ) s = 45 cos 50^o × 75 = 2170J

Work can be positive or negative

 Work done by a varying force

ذكرنا سابقا أن استخدام مفهوم الشغل سوف يساعدنا في التعامل مع الحركة عندما تكون القوة غير منتظمة، ولتوضيح ذلك دعنا نفترض أن قوة منتظمة قدرها 10N تؤثر على جسم ليتحرك مسافة من x_i=5m إلى x_f=25m وبالتالي فإن الإزاحة مقدارها 20m، ولتمثيل ذلك بيانياً نرسم محور القوة ومحور الإزاحة كما في الشكل، وبالتالي تكون القوة هي خط مستقيم يوازي محور x.

أما في حالة كون القوة متغيرة خلال الإزاحة كما هو مبين في الشكل التالي:

في هذه الحالة نأخذ إزاحة صغيرة قدرها Dx حتى تكون القوة المؤثرة لهذه الإزاحة منتظمة وهنا يكون الشغل المبذول يعطى بالعلاقة التالية:

وإذا قمنا بتقسيم منحنى القوة إلى أجزاء صغيرة وحسبنا الشغل المبذول خلال كل جزء وجمعناهم، فإنه يمكن التعبير عن ذلك بالعلاقة الرياضية التالية:

وعند جعل الإزاحة Dx  أصغر ما يمكن أي أنها تؤول إلى الصفر لكي نحصل على قيم أدق فإن المعادلة السابقة تتحول إلى

وهذه هي الصورة العامة للشغل (لاحظ أن F_x = F cosq).

الرجوع الي الصفحة الرئيسية   رجوع الي المحاضرات