نظرة عامة حول مفهوم الشغل

يعرف الشغل (بالإنجليزية: Work) فيزيائيًا بأنه القوة المسببة لحركة أو إزاحة جسم ما، ويرمز له بالرمز (W)، وعند وجود قوة ثابتة، يكون الشغل هو حاصل الضرب القياسي للقوة المؤثرة على جسم ما والإزاحة التي تسببها تلك القوة، وعلى الرغم من أن كلًا من القوة والإزاحة عبارة عن كمياتٍ متجهة، إلا أن الشغل ليس له اتجاه بسبب طبيعة الضرب القياسي، أو الضرب النقطيفي في المتجهات (ضرب كميتين متجهتين يعطي كمية قياسية).[١]


وحدة قياس الشغل

الوحدة القياسية للشغل هي الجول (بالإنجليزية: Joule)، ويرمز لها بالرمز (J)، والجول الواحد يعبر عن كمية الطاقة المنقولة عندما يتم تطبيق قوة مقدارها 1 نيوتن على جسم ما، وتحركه مسافة مقدارها 1 متر، إذًا الجول = نيوتن.متر.[٢]


قوانين حساب الشغل

هناك العديد من القوانين التي يمكن من خلالها حساب الشغل، وهي كالآتي:[٣][٢]


  • عند معرفة قيمة القوة المؤثرة (نيوتن) والإزاحة (متر)، يمكن حساب الشغل كالآتي:
  • الشغل (W) = القوة (F) * الإزاحة (d).


  • عند معرفة قيمة كتلة الجسم المزاح (نيوتن) والارتفاع (متر)، يمكن حساب الشغل كالآتي:
  • الشغل (W) = الكتلة (m) * تسارع الجاذبية الأرضية (g) *الارتفاع (h).


ما الفرق بين الشغل والقدرة؟

يكمن الفرق بين الشغل والقدرة بأن الشغل هو عملية نقل الطاقة للجسم وتحريكه من خلال تطبيق قوة تؤثر فيه ويتم تمثيله بأنه ناتج ضرب القوة في الإزاحة، ويقاس بوحدة الجول، أما القدرة فهي مقدار الطاقة المستهلكة في وقت محدد، وتقاس بوحدة الواط.[٤]


ما الفرق بين الشغل والطاقة؟

يكمن الفرق بين الشغل والطاقة بأن الشغل هو عملية نقل كمية كبيرة من الطاقة بواسطة قوة تغطي مسافة معينة في اتجاه معين، أما الطاقة فيشار إليها على أنها القوة التي تعمل على مسافة معينة، والطاقة هي نتيجة الشغل المنجز، وتوصف أيضاً بأنها خاصية النظام أو قدرته على إنجاز شغلٍ معين.[٥]


أمثلة على حساب الشغل

فيما يأتي بعض الأمثلة التي توضح كيفية حساب الشغل:


السؤال:

تستخدم فتاة 100 نيوتن من القوة لدفع الجزازة وتقوم بدفعها لمسافة إجمالية مقدارها 200 متر، وذلك لتستطيع قطع العشب في فناء جدتها، فما مقدار الشغل المبذول من قبل الفتاة؟[٦]


الحل:


  • الشغل (W) = القوة (F) * الإزاحة (d).
  • الشغل (W) = 200*100
  • الشغل (W) = 20000 جول.




السؤال:

يُسحب جسم أفقيًا على سطح مما بقوة مقدارها 100 نيوتن بشكل متوازي مع السطح، فما مقدار الشغل الذي تبذله القوة أثناء تحريك الجسم لمسافة 8 أمتار؟[٣]



الحل:

بما أن القوة والإزاحة لهما نفس الاتجاه:

0=θ، [θ هي الزاوية بين متجه القوة ومتجه الإزاحة].


  • الشغل (W) = القوة (F) * الإزاحة (d) *جتا (θ).
  • الشغل (W) = 1*8*100
  • الشغل (W) =100 جول.




السؤال:

يجر كلب مزلجة عليها مجموعة من الأطفال تزن 20 كغم بشكل أفقي، ويتسارع من السكون إلى سرعة 5 م / ث على مدار 5 ثوان (التسارع= 1 م / ث 2)، فما مقدار الشغل الذي يبذله الكلب لجر المزلجة التي تحمل الأطفال، مع إهمال الاحتكاك؟[٧]

الحل:

لحل هذه المسألة يجب أولاً حساب القوة والإزاحة حتى نتمكن من حساب الشغل، وذلك كما يأتي:

  • الكتلة = 20 كغم، التسارع = 1م/ث2
  • القوة (F) = الكتلة (m) * التسارع (a)
  • القوة (F) = 1*20
  • القوة (F) = 20 نيوتن.


ولحساب الإزاحة يتوجب حساب متوسط السرعة أولاً، وذلك كما يأتي:

  • السرعة الابتدائية = صفر (حالة السكون)، السرعة النهائية = 5 م/ث، الزمن=5 ثوان.
  • متوسط السرعة (average velocity) = (السرعة النهائية (v) - السرعة الابتدائية (v0)) /2
  • متوسط السرعة (average velocity) = (0-5) /2
  • متوسط السرعة (average velocity) = 2.5 م/ث
  • الإزاحة (d) = متوسط السرعة (average v) * الزمن (t).
  • الإزاحة (d) = 5*2.5
  • الإزاحة (d) = 12.5 متر.


بعد حساب القوة والإزاحة، يمكن الآن حساب الشغل المبذول من قبل الكلب كالآتي:

  • الشغل (W) = القوة (F) * الإزاحة (d)
  • الشغل (W) = 12.5*20
  • الشغل (W) = 250 جول.




السؤال:

يتحرك صندوق مسافة 10 أمتار أفقياً، وتؤثر عليه قوة رأسية قيمتها 20 نيوتن، فما مقدار الشغل المبذول من القوة على الصندوق أثناء إزاحته؟[٨]


الحل:

بما أن القوة والإزاحة لهما اتجاهان مختلفان.

90=θ، [θ هي الزاوية بين تجه القوة وتجه الإزاحة].


  • الشغل (W) = القوة (F) * الإزاحة (d) *جتا (θ).
  • الشغل (W) = 10*20*جتا(90)
  • الشغل (W) =0*10*20.
  • الشغل (W) = صفر جول.




السؤال:

ما مقدار الشغل المبذول لرفع وزن مقداره 50 كغم لمسافة 0.5 متر؟[٩]


الحل:


  • الشغل (W) = الكتلة (m) * تسارع الجاذبية الأرضية (g) *الارتفاع (h)
  • الشغل (W) =0.5*9.81*50
  • الشغل (W) =245.25 جول





المراجع

  1. ↑ Andrew Zimmerman Jones (24/4/2019), "?What Is the Definition of Work in Physics", .Thoughtco, Retrieved 27/7/2021.
  2. ^ أ ب "What are energy and work?", Khan Academy, Retrieved 27/7/2021.
  3. ^ أ ب "Work, Energy and Power", byjus, 19/10/2020, Retrieved 27/7/2021.
  4. ↑ "Difference Between Work and Power", byjus, 26/8/2020, Retrieved 25/7/2021.
  5. ↑ "Difference Between Work and Energy", byjus, 3/8/2020, Retrieved 27/7/2021.
  6. ↑ "13.2 Calculating Work", cK-12, 20/11/2017, Retrieved 27/7/2021.
  7. ↑ "Work (Physics): Definition, Formula, How to Calculate (w/ Diagram & Examples)", SCIENCING, 29/4/2021, Retrieved 27/7/2021.
  8. ↑ "Calculating work done by a force", Khan Academy, Retrieved 27/7/2021.
  9. ↑ "What are energy and work?", Khan Academy , Retrieved 27/7/2021. Edited.