تعريف الشغل
يمكن تعريف الشغل بشكل عام (بالإنجليزية: Work) بأنه كمية فيزيائية تعبِّر عن الطاقة المنقولة من وإلى الجسم عند تطبيق قوة عليه لتحريكه، جزء منها على الأقل في اتجاه الإزاحة، ولا يقتصر الشغل بمفهومه على تحريك الأجسام فقط، وإنما يشمل ضغط الغازات أيضاً.[١]
كيفية حساب الشغل
شغل القوة الثابتة
ويُعنى بالقوة الثابتة هي التي لا تتغير مع تغير الزمن، فعند تطبيق قوة مقدارها 5 نيوتن مثلاً، تبقى ثابتة بمقدار 5 نيوتن مهما تغيرت الإزاحة، ويعطى شغل القوة الثابتة عند تطبيق القوة بنفس اتجاه الإزاحة بالعلاقة الرياضية الآتية:[٢]
- الشغل = القوة × الإزاحة، وبالرموز: W= F.d؛ حيث إنّ:
- W: الشغل ويُقاس بالجول (Joule)، أو نيوتن/متر (N/m).
- F: القوة وهي كمية متجهة تقاس بوحدة النيوتن (N).
- d: الإزاحة وهي كمية متجهة تقاس بوحدة المتر (m).
يمكن التعبير عن الشغل بصورة أخرى إذا كانت هناك زاوية بين اتجاه القوة المؤثرة على الجسم، واتجاه الإزاحة، ليصبح:
- الشغل = القوة × الإزاحة × جتاθ، وبالرموز: (W = F.d.cos(θ؛ حيث:
- θ: هي الزاوية المحصورة بين القوة والإزاحة.
- مثال: يدفع رجل صندوقًا بقوة 10 نيوتن (N) لتحريكه مسافة مترين، ما الشغل المبذول لتحقيق ذلك؟ [٣]
- الحل:
- الشغل = القوة × الإزاحة، ومنه:
- الشغل = 10×2 = 20 جول، أو 20 نيوتن/متر.
شغل القوة المتغيرة
يمكن تعريف القوة المتغيرة بأنها القوة التي تتغير في قيمتها أو اتجاهها مع مرور الزمن وأثناء تطبيق الشغل، فإذا رُسمت العلاقة بين القوة بالنيوتن على محور الصادات، والمسافة بالمتر على محور السينات، فإنّ المساحة أسفل هذا المنحنى (القوة-الإزاحة) تمثل الشغل المبذول من قبل هذه القوة.[٤]
إذا كانت هناك قوة تؤثر في جسم ما، وتسبّب إزاحته حسب الشكل الموضح أدناه، احسب الشغل المبذول من قبل هذه القوة؟ [٥]
الشغل = المساحة تحت المنحنى، ويمكن تقسيم هذه المساحة إلى شكلين هندسيين يمكن حساب مساحتهما بسهولة لحساب تلك المسافة، كما في الشكل الآتي:
- الشغل = مساحة المستطيل + مساحة المثلث، وعليه:
- مساحة المستطيل = الطول × العرض، مساحة المثلث = 1/2 × طول القاعدة × الارتفاع.
- الشغل = (الطول × العرض) + (1/2×طول القاعدة×الارتفاع) = (10×5) + (1/2×2×10) = (50) + (10) = 60 جول.
شغل الضغط - الحجم
شغل الضغط الحجم هو الشغل الناتج عن ضغط أو تمدد السائل، حيث يكون هناك تغير في الحجم مع ثبات الضغط الخارجي؛ فعند ضغط المائع يقل الحجم مما يؤدي إلى الزيادة في الضغط الداخلي للنظام، أما أثناء تمدد المائع فإن الحجم يزداد مما يؤدي إلى النقصان في الضغط الداخلي للنظام.[٦]
ولأن العلاقة العامة التي تربط الشغل بالقوة هي: الشغل × الإزاحة، W = F.d، والعلاقة التي تربط الضغط بالقوة هي: الضغط = القوة/المساحة، P = F/A؛ فإن إعادة ترتيب المعادلة بكتابة الشغل بدلالة الضغط يُنتج المعادلة الآتية:[٦]
- W =P.A d ، ولأنّ: A×d = الحجم؛ فإن:
- الشغل = الضغط × التغير في الحجم، وبالرموز: W = P.ΔV.
احسب شغل الحجم - الضغط الذي يقوم به النظام عندما يتمدد الغاز من 1 لتر إلى 2 لتر ضد ضغط خارجي ثابت يبلغ 10 باسكال.[٧]
- شغل الحجم - الضغط = الضغط × التغير في الحجم
- شغل الحجم - الضغط = 10× (2-1) = 10 جول.
مبرهنة الشغل والطاقة
تنتقل الطاقة إلى النظام عند بذل الشغل، وبعض أنواع هذه الطاقة تخزّن داخل الأجسام مثل طاقة الوضع، أما بعض أنواع الطاقة فتبقي في الجسم في حالة حركة مثل الطاقة الحركية، وبشكل عام إنّ الشغل الكلي المبذول على جسم ما يساوي دائماً مقدا التغير في الطاقة الحركية:
- الشغل المبذول = التغير في مقدار الطاقة الحركية = 1/2×الكتلة× (مربع السرعة النهائية - مربع السرعة الابتدائية) ، وبالرموز: W net = 1/2.m.v^2 - 1/2.m.v.^2؛ حيث:[٨]
- m: كتلة الجسم وتقاس بالكيلوغرام (Kg).
- v : سرعة الجسم النهائية تقاس بمتر لكل ثانية (m/s).
- v. : سرعة الجسم الابتدائية تقاس بمتر لكل ثانية (m/s).
لنفترض أن هناك كتلة مقدارها 30 كغ على حزام ناقل تتحرك بسرعة مقدارها 0.5 م/ث ثم توقفت، احسب:[٩]
- الطاقة الحركية الابتدائية.
- الطاقة الحركية النهائية.
- الشغل المبذول.
- الطاقة الحركية الابتدائية = 1/2×الكتلة×مربع السرعة = 1/2×30×0.5×0.5 = 3.75 جول.
- الطاقة الحركية الابتدائية = 1/2×الكتلة×مربع السرعة = 1/2×30×0×0 = 0 جول.
- الشغل المبذول = التغير في مقدار الطاقة الحركية = 0- 3.75 = -3.75 جول.
المراجع
- ↑ Erik Gregersen, "Work", .britannica, Retrieved 13/7/2021. Edited.
- ↑ "What are energy and work?", khanacademy, Retrieved 13/7/2021. Edited.
- ↑ "Work and power", BBC, Retrieved 14/7/2021. Edited.
- ↑ David Wood, "Overview of Work & Work by Variable Force", study.com, Retrieved 14/7/2021. Edited.
- ↑ "Force-Displacement Graphs", scienceflip, Retrieved 14/7/2021. Edited.
- ^ أ ب "First law of Thermodynamics: Thermal Energy and Work", texasgateway, Retrieved 15/7/2021. Edited.
- ↑ "Questions & Answers", vedantu, Retrieved 15/7/2021. Edited.
- ↑ "Kinetic Energy and the Work-Energy Theorem", openstax, Retrieved 1/8/2021. Edited.
- ↑ "Kinetic Energy and the Work-Energy Theorem", openstax, Retrieved 15/7/2021. Edited.
