ملخص الشغل والقدرة، الفيزياء

الشغل الذي تبذله قوة ثابتة

• تؤثر قوة ثابتة ⁦(F)⁩ في جسم وتحركه إزاحة أفقية ⁦(d)⁩ كما هو موضح في الشكل (2/أ).
• يساوي الشغل ⁦(W)⁩ ناتج الضرب القياسي لمتجه القوة في متجه الإزاحة كما يأتي: $W_F = F \cdot d = F d \cos \theta$
• تمثل هذه المعادلة الصيغة العامة لحساب الشغل.
• تعبر ⁦(θ)⁩ عن الزاوية المحصورة بين اتجاه القوة واتجاه الإزاحة.
• تمثل ⁦(F cos θ)⁩ مركبة متجه القوة في اتجاه الإزاحة التي تحركها الجسم تحت تأثير هذه القوة كما هو موضح في الشكل (2/ب).
• تُحلل متجه القوة المؤثرة إلى مركبتين هما مركبة أفقية موازية لاتجاه الإزاحة ⁦(Fx = F cos θ)⁩ ومركبة عمودية على اتجاه الإزاحة ⁦(Fy = F sin θ)⁩.
• تبذل المركبة الموازية لاتجاه الإزاحة شغلاً فقط.
• لا تبذل المركبة العمودية شغلاً لعدم وجود إزاحة في اتجاهها.
• يُقاس الشغل بوحدة الجول ⁦(J)⁩ بحسب النظام الدولي للوحدات تكريماً للعالم جيمس بريسكوت جول.
• يُعرّف الجول بأنّه الشغل الذي تبذله قوة مقدارها ⁦(1 N)⁩ عندما تؤثر في جسم وتحركه إزاحة مقدارها ⁦(1 m)⁩ في اتجاهها.

الشغل الذي تبذله عدّة قوى ثابتة

• يُحسب شغل قوى ثابتة تؤثر في جسم بحساب الشغل الذي تبذله كل قوة على انفراد.
• يُحسب الشغل الكلّي المبذول ($W_{\text{Total}}$) بإيجاد ناتج الجمع الجبري لشغل القوى جميعها.
• تُمثل $n$ عدد القوى المؤثرة في الجسم.
• يمكن حساب الشغل الكلّي المبذول بحساب شغل القوّة المحصلة المؤثرة في الجسم.

الشغل الذي تبذله قوة متغيرة

• تُحسب قيمة الشغل الناتج عن تأثير قوة ثابتة في جسم وتحريكه إزاحة معينة في اتجاهها بضرب مقدار القوة في مقدار الإزاحة.
• يُمثل الرسم البياني في الشكل (7) العلاقة بين القوة والإزاحة.
• تساوي المساحة المحصورة بين منحنى القوة- الإزاحة ومحور الإزاحة مساحة المستطيل ⁦(A)⁩.
• تساوي مساحة المستطيل ناتج ضرب مقدار القوة في مقدار الإزاحة.
• تعادل المساحة عدديًا شغل القوة خلال هذه الإزاحة.
• يُحسب شغل القوة إذا كانت القوة المؤثرة في الجسم ⁦(60 N)⁩ والإزاحة التي تحركها الجسم في اتجاه القوة ⁦(5 m)⁩ وفق المعادلة الآتية: $W_F = A = Fd = 60 \times 5 = 300 \text{ J}$
• تُستخدم هذه الطريقة البيانية في حساب الشغل عندما تكون القوة المؤثرة في جسم متغيرة في أثناء إزاحته.
• يُحسب شغل القوة المتغيرة بحساب المساحة المحصورة بين منحنى القوة - الإزاحة ومحور الإزاحة بحسب الشكل الهندسي للمساحة.
• تُعد القوة اللازمة لشد نابض من أمثلة القوى المتغيرة.
• يتغير مقدار القوة اللازم التأثير بها في النابض بتغير مقدار الاستطالة الحادثة له عند شد النابض أو ضغطه.
• يبين الشكل (8) أن مقدار قوة الشد المؤثرة في النابض يتناسب طرديًا مع مقدار استطالة النابض.
• يوضح الشكل (9) رسمًا بيانيًا للعلاقة الخطية بين استطالة النابض والقوة المؤثرة فيه.
• يُحسب شغل القوة المؤثرة في النابض بحساب مساحة المثلث المحصور بين منحنى القوة - الإزاحة ومحور الإزاحة وفق المعادلة الآتية: $W = \frac{1}{2} F \Delta x$
• تُمثل ($\Delta x$) الاستطالة الحادثة للنابض.

القدرة

• يريد صديقي شراء مضخّة ماء مثل المبينة في الشكل (12) لكي يستعملها لضخ الماء إلى سطح عمارة.
• عثر صديقي على مضختين لرفع ⁦(50 kg)⁩ ماء إلى ارتفاع رأسي مقداره ⁦(7 m)⁩.
• ترفع المضخة الأولى كمية الماء خلال ⁦(7.2 s)⁩.
• ترفع المضخة الثانية كمية الماء نفسها للارتفاع نفسه خلال ⁦(9 s)⁩.
• يتساءل صديقي عن المضخة التي ينصح بشرائها وعن الكمية الفيزيائية التي يمكن عن طريقها المفاضلة بينهما.
• الشغل الذي تبذله المضختان في رفع الماء متساوٍ على الرغم من اختلاف زمن إنجازه.
• سيختار صديقي المضخة الأولى التي تنجز الشغل نفسه خلال زمن أقل.
• الكمية الفيزيائية التي يمكن عن طريقها المفاضلة بين معدل بذل الشغل لآلات أو أجسام مختلفة هي القدرة (⁦Power (P⁩.
• تُعرف القدرة بأنها المعدل الزمني للشغل المبذول.
• تساوي القدرة ناتج قسمة الشغل المبذول ⁦(W)⁩ على الزمن المستغرق في بذله ⁦(Δt)⁩.
• تُحسب القدرة المتوسطة ⁦(P)⁩ وفقًا للمعادلة الآتية: $\bar{P} = \frac{W}{\Delta t}$
• وحدة قياس القدرة هي ⁦(J/s)⁩ وتُسمّى واط ⁦(W) watt⁩ بحسب النظام الدولي للوحدات.
• يساوي الواط قدرة آلة أو جهاز يبذل شغلًا مقداره ⁦(1 J)⁩ خلال مدة زمنية مقدارها ⁦(1 s)⁩.
• تُستخدم وحدة الحصان (⁦Horse power (hp⁩ في قياس القدرة.
• يساوي الحصان ⁦(746 W)⁩.
• تُعرف وحدة الحصان بأنها قدرة آلة تنجز شغلًا مقداره ⁦(746 J)⁩ خلال مدة زمنية مقدارها ⁦(1 s)⁩.

القدرة اللحظية

• $P = Fv \cos \theta$

الربط بالهندسة

• يُراعى في تصميم الطرق عند شقها خلال الأودية والجبال أن تكون متعرجة ⁦(Zig-Zag)⁩ بدلاً من أن تكون مستقيمة.
• يوضح الشكل (14) الطريق الملوكي الذي يشق وادي الموجب ويصل بين محافظتي الكرك…