ما هو الشغل

الشغل في الفيزياء هو قياس نقل الطاقة الذي يحدث عندما يتحرك جسم ما عبر مسافة بواسطة قوة خارجية يتم تطبيق جزء منها على الأقل في اتجاه الإزاحة وإذا كانت القوة ثابتة فيمكن

حساب

الشغل بضرب طول المسار بمكون القوة المؤثرة على طول المسار وللتعبير عن هذا المفهوم رياضياً الشغل W يساوي القوة f في المسافة d أو W = fd وإذا تم بذل القوة بزاوية θ للإزاحة فإن الشغل المبذول هو W = fd cos θ

كما يتم إنجاز الشغل الذي يتم على

الجسم

ليس فقط عن طريق إزاحة الجسم ككل من مكان إلى آخر ولكن أيضاً على سبيل المثال عن طريق ضغط الغاز وتناوب العمود وحتى عن طريق التسبب في حركات غير مرئية للجسيمات داخل الجسم بقوة مغناطيسية خارجية

لا يتم تنفيذ أي عمل كما هو مفهوم في هذا السياق ما لم يتم إزاحة الكائن بطريقة ما وهناك عنصر من القوة على طول المسار الذي يتم نقل الكائن فوقه وإن تثبيت الجسم الثقيل لا ينقل الطاقة إليه لإنه لا يوجد إزاحة وإن إمساك طرف الحبل الذي يتأرجح عليه جسم ثقيل بسرعة ثابتة في دائرة لا ينقل الطاقة إلى الجسم لإن القوة في اتجاه مركز

الدائرة

بزاوية قائمة للإزاحة ولم يتم القيام بأي عمل في كلتا الحالتين

كما يعتمد التعبير الرياضي للعمل على الظروف الخاصة حيث يمكن التعبير عن العمل المنجز في ضغط الغاز عند درجة حرارة ثابتة على إنه ناتج الضغط P مضروباً في التغير في الحجم dV هذا هو W = PdV كما يمكن التعبير عن العمل المنجز بواسطة عزم الدوران T في تدوير عمود من خلال زاوية φ على إنه حاصل ضرب عزم الدوران في الإزاحة الزاوية هذا هو W = Tφ.

العمل الذي يتم على الجسم يساوي الزيادة في طاقة الجسم فالعمل ينقل الطاقة إلى الجسم ومع ذلك إذا كانت القوة المطبقة معاكسة لحركة الجسم فإن العمل يعتبر سالباً مما يعني إن الطاقة مأخوذة من الجسم والوحدات التي يتم التعبير عن العمل بها هي نفسها الخاصة بالطاقة على سبيل المثال في SI (النظام الدولي للوحدات) ونظام المتر كيلوجرام في الثانية جول (نيوتن متر) في نظام السنتيمتر-الجرام-الثاني erg (dyne-centimeter) وفي النظام الإنجليزي قدم رطل.

من شروط بذل الشغل

في الفيزياء الشغل له تعريف أكثر دقة وفي جميع الأمثلة هناك شيء مشترك في كلتا الحالتين تقوم بالشغل عن طريق ممارسة قوة على الجسم بينما يتحرك الجسم من مكان إلى آخر مثل ارفع كتاباً من ارتفاع وللقيام بذلك يجب أن تستخدم القوة والكتاب يرتفع فهناك قوة مطبقة على الكتاب وقد تحرك الكتاب ومن ثم يتم العمل.

وبالتالي هناك شرطان يجب أن يكونا راضين عن الشغل الذي يتعين القيام به:

يجب أن تعمل القوة على الكائن.
الكائن يجب أن ينزاح.

إذا لم يتم استيفاء أي من الشرطين المذكورين أعلاه فإننا نقول علمياً إنه لم يتم القيام بأي عمل حيث يتم العمل عندما تدفع قوة “F” جسماً خلال إزاحة “s” وإذا خضع جسم للإزاحة ab = s فإن الشغل الذي تقوم به القوة F هو W = Fs كما يُعرَّف الشغل الذي تقوم به قوة ثابتة بأنه حاصل ضرب القوة في اتجاه الإزاحة وحجم الإزاحة.

نظراً لأن F في اتجاه ‘s’ فإن العمل الذي تقوم به القوة F يتم إعطاؤه بواسطة

W = القوة * الإزاحة = Fs

الشغل هو كمية قياسية لها حجم فقط.

أنواع الشغل

الشغل هو ثلاثة حسب الزاوية بين متجه القوة ومتجه الإزاحة.

الشغل الإيجابي

يُقال إن العمل المنجز يكون موجباً إذا كانت القوة المطبقة في اتجاه الإزاحة.

أمثلة:

يتم العمل عن طريق الجاذبية إذا سقط جسم نحو الأرض.
يتم العمل بواسطة حصان يجر عربة.
يتم العمل بواسطة قوة الشد التي تعمل على الزنبرك.

الشغل السلبي

يُقال إن الشغل المنجز سيكون سالباً إذا كانت القوة المؤثرة في اتجاه معاكس لاتجاه الإزاحة.

أمثلة:

يتم العمل بواسطة قوة الكبح عند تعشيق المكابح في السيارة.
يتم العمل عن طريق الاحتكاك.
يتم الشغل بواسطة قوة الجاذبية عندما يُسقط جسم بعيداً عن سطح الأرض.

الشغل صفر:

يُقال إن الشغل المنجز يساوي صفراً إذا كانت القوة المطبقة تساوي صفراً أو كانت الإزاحة صفراً أو كانت الزاوية بين الإزاحة والقوة 90 درجة (الشغل الصفري: يتم تطبيق القوة ولكن الإزاحة تساوي صفراً).

أمثلة:

يتم العمل عن طريق الشد في سلسلة بندول بسيط.
يتم العمل بواسطة قوة الجاذبية.
يتم العمل عن طريق حمولة تحمل على رأسه والمشي بشكل مستقيم على منصة مستوية.

وحدات الشغل

في نظام cgs تكون وحدة الشغل المطلقة هي erg ويُقال إن الشغل المنجز يساوي 1 erg إذا أزاحت قوة مقدارها داين جسماً ما في اتجاهه مسافة سنتيمتر واحد في اتجاهه.

رياضياً لدينا 1 erg = 1 dyne* 1 cm.

في النظام الدولي للوحدات وحدة الشغل المطلقة هي الجول (J) ويُقال إن الشغل المنجز يساوي جول واحد إذا أزاحت قوة مقدارها نيوتن واحد جسماً عبر مسافة متر واحد في اتجاهه.

رياضياً لدينا 1 joule = 1 newton * 1m

بالإضافة إلى ذلك،

1 joule = 1N* 1m = 10^5 dyne * 10^2cm

=10power7 erg

العلاقة بين الشغل والطاقة

ينص مبدأ الشغل والطاقة الحركية (المعروف أيضاً باسم نظرية الشغل والطاقة) على إن العمل الذي يقوم به مجموع كل القوى المؤثرة على الجسيم يساوي التغير في الطاقة الحركية للجسيم حيث يمكن أن يمتد هذا التعريف إلى الأجسام الصلبة من خلال

تحديد

عمل عزم الدوران والطاقة الحركية الدورانية.

الشغل W الذي تقوم به القوة الكلية على الجسيم يساوي التغير في الطاقة الحركية للجسيم KE: W=ΔKE=12mv2f−12mv2i حيث إن vi و vf هما سرعات الجسيم قبل وبعد تطبيق القوة و m هي كتلة الجسيم.

ينقل العمل الطاقة من مكان إلى آخر أو من شكل إلى آخر وفي الأنظمة الأكثر عمومية من نظام الجسيمات يمكن للعمل أن يغير الطاقة الكامنة لجهاز ميكانيكي أو الطاقة الحرارية في نظام حراري أو الطاقة الكهربائية في جهاز كهربائي.

مسائل في الشغل

مسألة(1):

تم تحريك كتلة 5 كجم لأعلى بمقدار 30 درجة بقوة مقدارها 50 نيوتن بالتوازي مع المنحدر معامل الاحتكاك الحركي بين الكتلة والميل 0.25 ما مقدار الشغل الذي تبذله القوة 50 N في تحريك الكتلة مسافة 10 أمتار؟ ما إجمالي الشغل المبذول على الكتلة على نفس المسافة؟

إيجاد الشغل المبذول بواسطة قوة 50 N بسيط للغاية نظراً لإنه يتم تطبيقه بالتوازي مع المنحدر فإن الشغل المنجز هو ببساطة W = Fx = (50) (10) = 500 J.

يعد العثور على إجمالي العمل المنجز على الكتلة أكثر تعقيداً الخطوة الأولى هي إيجاد القوة الكلية المؤثرة على الكتلة وبسبب وزنها mg تتعرض الكتلة لقوة أسفل منحدر المقدار mg sin 30 = (5) (9.8) (. 5) = 24.5 N بالإضافة إلى ذلك يتم الشعور بقوة احتكاك معاكسة للحركة

وبالتالي لأسفل المنحدر كما يُعطى مقدارها بواسطة Fk = μFN = (.25) (mg cos 30) = 10.6 N بالإضافة إلى ذلك تلغي القوة العمودية ومكون قوة الجاذبية العمودية على المنحدر تماماً وبالتالي فإن القوة الكلية المؤثرة على الكتلة هي: 50 N -24.5 N -10.6 N = 14.9 N موجهة إلى أعلى المنحدر هذه هي القوة الصافية التي تمارس “عملاً شبكياً” على الكتلة وبالتالي فإن العمل المنجز على الكتلة هو W = Fx = (14.9) (10) = 149 J.

مسألة (2):

يتعرض جسم 10 كجم لقوة أفقية تجعله يتسارع بمعدل 5 م / ث 2 مما يجعله يتحرك لمسافة 20 م أفقياً ما مقدار الشغل الذي تقوم به القوة؟

يُعطى مقدار القوة بواسطة F = ma = (10) (5) = 50 N وهي تعمل على مسافة 20 متراً في نفس اتجاه إزاحة الجسم مما يعني إن إجمالي الشغل الذي قام به تُعطى القوة من خلال W = Fx = (50) (20) = 1000 جول.[1]