ما هي شروط بذل الشغل

ما هو الشغل

في الفيزياء، يشير مصطلح الشغل إلى الطاقة التي يتم نقلها عندما يتحرك جسم عبر مسافة باستخدام قوة خارجية، وإذا كانت القوة ثابتة، فيمكن حساب الشغل بضرب طول المسار بقوة الفعل المؤثرة على طول المسار، ويمكن التعبير عن هذا المفهوم بالمعادلة W = fd، حيث W هو الشغل، f هي القوة، و d هي المسافة المقطوعة، وإذا تم تطبيق القوة بزاوية θ بالنسبة للإزاحة، فإن الشغل المبذول يساوي W = fd cos θ

العمل على الجسم يتم بواسطة تحريكه من مكان إلى آخر وأيضا عن طريق ضغط الغاز وتناوب العمود، وحتى عن طريق إحداث حركات غير مرئية للجسيمات داخل الجسم بواسطة قوة مغناطيسية خارجية

لا يتم تنفيذ أي عمل كما يفهم في هذا السياق ما لم يتم إزاحة الجسم بطريقة ما، ويجب توفر عنصر من القوة على طول المسار الذي يتم نقل الجسم فوقه، ولن يتم نقل الطاقة إلى الجسم إذا لم يتم إزاحته، حتى إذا تم تثبيت جسم ثقيل، فلن يتم نقل الطاقة إليه لأنه لا يوجد إزاحة. وإذا تم الإمساك بطرف حبل يتأرجح عليه جسم ثقيل بسرعة ثابتة في دائرة، فلن يتم نقل الطاقة إلى الجسم لأن القوة تعمل في اتجاه مركز الدائرة بزاوية قائمة على الإزاحة، ولم يتم تنفيذ أي عمل في هذين الحالتين

يعتمد التعبير الرياضي للعمل على الظروف الخاصة، حيث يمكن التعبير عن العمل المنجز في ضغط الغاز عند درجة حرارة ثابتة على أنه ناتج ضرب الضغط P في التغير في الحجم dV، ويعبر عنه بـ W = PdV، كما يمكن التعبير عن العمل المنجز بواسطة عزم الدوران T في تدوير عمود بزاوية φ على أنه حاصل ضرب عزم الدوران في الإزاحة الزاوية، ويعبر عنه بـ W = T.

العمل المنجز على الجسم يضيف طاقة للجسم، فالعمل ينقل الطاقة إليه. ومع ذلك، إذا كانت القوة المطبقة تعمل ضد حركة الجسم، فإن العمل يعتبر سالبا، مما يعني أن الطاقة تستهلك من الجسم. والوحدات المستخدمة لقياس العمل هي نفسها وحدات الطاقة. على سبيل المثال، في النظام الدولي للوحدات (SI) وحدة العمل هي الجول، وفي النظام المتري كيلوجرام في الثانية، وفي النظام السنتيمتر-الجرام-الثانية وحدة العمل هي الإرغ، وفي النظام الإنجليزي وحدة العمل هي القدم رط.

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، يجب أن تكون هناك شروطان يتم الرضا عنهما للقيام بالعمل المطلوب:

• 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.

نظرًا لأن القوة F تعمل في اتجاه `s`، فإن العمل الذي تقوم به تلك القوة يتم نقله عبرها

W = القوة * الإزاحة = Fs

الشغل هو كمية قياسية لها حجم فقط.

أنواع الشغل

يتم تحديد الشغل عن طريق ثلاثة جوانب، وهي زوايا متجه القوة ومتجه الإزاحة.

الشغل الإيجابي

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

أمثلة:

• يتم عمل الجاذبية عندما يسقط جسم نحو الأرض.
• يتم العمل بواسطة حصان يجر عربة.
• يتم التحكم بهذا عن طريق قوة الشد التي تعمل على الزنبرك.

الشغل السلبي

يقال إن العمل المنجز سيكون سالبًا إذا كانت القوة المؤثرة في اتجاه معاكس لاتجاه الإزاحة.

أمثلة:

• يتم استخدام قوة الكبح عند تعشيق المكابح في السيارة.
• يتم العمل عن طريق الاحتكاك.
• يتم استخدام قوة الجاذبية للشغل عند إسقاط جسم بعيدًا عن سطح الأرض.

الشغل صفر:

يُعتقد أن الشغل المنجز يساوي صفرًا إذا كانت القوة المطبقة تساوي صفرًا أو إذا كانت الإزاحة تساوي صفرًا، أو إذا كانت الزاوية بين الإزاحة والقوة 90 درجة (الشغل الصفري: يتم تطبيق القوة ولكن الإزاحة تساوي صفرًا).

أمثلة:

• يتم تطبيق القوة على سلسلة بندول بسيطة.
• يتم العمل بواسطة قوة الجاذبية.
• يتم حمل الحمولة على الرأس والمشي بشكل مستقيم على منصة مستوية.

وحدات الشغل

في نظام القياس cgs، تكون وحدة الشغل المطلقة هي الإرج، ويتم تحديد الشغل المنجز عندما تحرك القوة جسمًا ما بمقدار داين في اتجاهه لمسافة سنتيمتر واحد في نفس الاتجاه.

في الرياضيات، 1 erg = 1 dyne * 1 سم.

في النظام الدولي للوحدات، يعد الجول (J) وحدة الشغل المطلقة، ويمكن قياس الشغل المنجز عند ازاحة قوة بقيمة نيوتن واحد جسمًا عبر مسافة متر واحد في اتجاه القوة.

في المجال الرياضي، ١ جولة = ١ نيوتن × ١ متر

بالإضافة إلى ذلك،

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

=10power7 erg

العلاقة بين الشغل والطاقة

يعتمد مبدأ العمل والطاقة الحركية (المعروف أيضا باسم نظرية العمل والطاقة) على أن العمل الذي يقوم به مجموع القوى التي تؤثر على الجسيم يساوي تغير الطاقة الحركية للجسيم. ويمكن تعميم هذا التعريف إلى الأجسام الصلبة من خلال تحديد عمل العزم الدوراني والطاقة الحركية الدورانية.

يتمثل الشغل W الذي تقوم به القوة الناتجة على الجسيم في التغير في الطاقة الحركية للجسيم KE: W=ΔKE=12mv2f−12mv2i، حيث تمثل vi و vf سرعة الجسيم قبل وبعد تطبيق القوة، وm تمثل كتلة الجسيم.

يتم نقل الطاقة في العمل من مكان إلى آخر أو من شكل إلى آخر، وفي الأنظمة الأكثر عمومية تُستخدم في 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 تبلغ 5 كجم لأعلى بزاوية 30 درجة باستخدام قوة قدرها 50 نيوتن في اتجاه مواز للمنحدر، ويعتبر معامل الاحتكاك الحركي بين الكتلة والمنحدر 0.25. ما هو مقدار الشغل الذي تقوم به القوة 50 نيوتن في تحريك الكتلة على مسافة 10 أمتار؟ وما هو إجمالي الشغل المبذول على الكتلة على نفس المسافة؟

بسبب تطبيقه بجانب المنحدر، يكون الشغل الذي يتم بواسطة قوة 50 نيوتن بسيطا للغاية، لذلك يكون الشغل المنجز ببساطة هو W = Fx = (50) (10) = 500 جول.

يعد العثور على إجمالي العمل المنجز على الكتلة مهمة صعبة، حيث يتم البحث عن القوة الكلية التي تؤثر على الكتلة، وبسبب وزن الكتلة (mg) يتعرض الكتلة لقوة أسفل المنحدر بمقدار (mg sin 30 = 24.5 N)، بالإضافة إلى ذلك يتم الشعور بقوة احتكاك معاكسة للحركة

عند النزول باتجاه السفح، يتم تحديد القوة بحسب Fk = μFN = (.25) (mg cos 30) = 10.6 نيوتن. بالإضافة إلى ذلك، يتم إلغاء القوة العمودية ومكون الجاذبية العمودية على السفح تماما. بالتالي، القوة الناتجة الكلية على الكتلة هي: 50 نيوتن – 24.5 نيوتن – 10.6 نيوتن = 14.9 نيوتن توجه نحو الأعلى على السفح. هذه هي القوة الصافية التي تؤثر على الكتلة بطريقة شبكية، وبالتالي، العمل المنجز على الكتلة هو W = Fx = (14.9) (10) = 149.

مسألة (2): عند تعرض جسم يزن 10 كجم لقوة أفقية تسرعه بمعدل 5 م/ث^2، يتحرك لمسافة أفقية قدرها 20 مترا. ما هو مقدار العمل الذي تقوم به القوة

يتم حساب القوة بالتالي: F = ma = (10) (5) = 50 نيوتن، وتعمل على مسافة 20 مترًا في نفس اتجاه الإزاحة، مما يعني أن إجمالي الطاقة التي تم إنفاقها بواسطة القوة يمكن حسابها عن طريق: W = Fx = (50) (20) = 1000 جول.