أعمال الفيزياء

إذا دفعت كتابًا على طاولة حتى يتحرك، فأنت تبذل شغلًا عليه. وعندما يسقط جسم على سطح الأرض بفعل قوة الجاذبية ، فإن قوة الجاذبية تبذل شغلًا عليه. وعلى العكس، إذا دفعت جسمًا بكل قوتك حتى تبللت عرقًا، لكنه لم يتحرك، فأنت لم تبذل شغلًا عليه. في الحياة اليومية، يُقال إنك بذلت شغلًا أو جهدًا كبيرًا بدفع جسم ما، ولكن وفقًا لقوانين الفيزياء، فأنت لم تبذل شغلًا عليه لأن الجسم لا يتحرك من مكانه.

يمكن بذل الشغل بقوة ثابتة (يبقى مقدار القوة واتجاهها ثابتين دائمًا) أو بقوة متغيرة (يتغير مقدار القوة واتجاهها). مثال على قوة ثابتة المقدار والاتجاه هو قوة الجاذبية المؤثرة على جسم قريب من سطح الأرض. أما مثال على قوة متغيرة المقدار والاتجاه فهو قوة الزنبرك. فكلما زاد شد الزنبرك، زادت قوة السحب، وبالتالي فإن مقدار القوة لا يبقى ثابتًا أثناء تمدد الزنبرك. مثال آخر هو عندما يتحرك صاروخ إلى الفضاء، فكلما ابتعد عن سطح الأرض، قلت قوة جاذبية الأرض المؤثرة عليه.

1.1 الشغل المبذول بواسطة قوة ثابتة
رياضياً، الشغل المبذول بواسطة قوة ثابتة على جسم ما هو حاصل ضرب النزوح جسم له قوة أو مركبة قوة في نفس اتجاه إزاحة الجسم.

الشغل المبذول بواسطة قوة الدفع (F):
W = (F)(s)(cos θ) = F s (cos 0) = F s (1) = F s
الشغل المبذول بواسطة مركبة القوة F في الاتجاه الأفقي (F cos θ):
W = (F cos θ)(s)(cos 0) = (F cos θ)(s)(1) = F s cos θ
الشغل المبذول بواسطة قوة الاحتكاك الحركي (fk):
W = (f_k cos θ)(s)(cos 180) = (f_k )(s)(-1) = – f_k s
الشغل المبذول بواسطة القوة العمودية (نيوتن):
W = (N)(s)(cos 90^o) = (N)(s)(0) = 0
الشغل المبذول بفعل الجاذبية (w):
W = (w)(s)(cos 90^o) = (w)(s)(0) = 0
الوصف: W = الجهد أو الشغل (جول)، s = الإزاحة (متر)، θ = الزاوية المتكونة بين القوة والإزاحة

في المثال السابق، العمل الذي تم إنجازه بواسطة جاذبية (w) لها قيمة صفر لأن اتجاه قوة الجاذبية عمودي (يشكل زاوية 90 درجة).^o) مع اتجاه إزاحة (اتجاه حركة) الجسم. تجدر الإشارة إلى أن الشغل المبذول بواسطة الوزن لا يساوي صفرًا إذا كان اتجاه قوة الجاذبية هو نفسه اتجاه الإزاحة أو معاكسًا له.

الشغل المبذول بواسطة قوة الجاذبية (w) على الجسم الساقط سقوطاً حراً في الشكل (أ) هو:
W = F s (cos θ) = wh (cos 0) = wh (1) = wh = mgh
الشغل المبذول بواسطة قوة الجاذبية (w) على الجسم المتحرك عموديًا لأعلى في الشكل (ب) هو:
W = F s (cos θ) = wh (cos 180) = wh (-1) = -wh = -mgh

الوصف: w = الوزن (نيوتن)، h = الارتفاع (متر)، m = الكتلة (كجم)، g = تسارع الجاذبية الأرضية (متر لكل ثانية مربعة)

بناءً على الشرح السابق، يمكن استخلاص النقاط التالية:
أولاإذا لم يتعرض الجسم لإزاحة، فإن القوة المؤثرة على الإزاحة لا تبذل شغلاً. إذا كانت الإزاحة تساوي صفرًا، فإن الشغل يساوي صفرًا.
في المرتبة الثانيةإذا شكلت القوة زاوية معينة بالنسبة لإزاحة الجسم، فإن مركبة القوة في اتجاه إزاحة الجسم فقط هي التي تقوم بعمل على الجسم.
كيتيجاالقوة العمودية على إزاحة الجسم لا تبذل أي شغل عليه. إذا كانت القوة عمودية على الإزاحة، فإن الزاوية المتكونة تساوي 90 درجة.^o. جتا 90^o = 0.
رابعايمكن أن يكون الجهد موجبًا أو سالبًا. إذا كانت القوة في نفس اتجاه إزاحة الجسم، فإن الزاوية المتكونة تساوي صفرًا.^o عندئذٍ تبذل القوة شغلاً موجباً، والعكس صحيح إذا كانت القوة في الاتجاه المعاكس للإزاحة، فإن الزاوية المتكونة تكون 180 درجة.^o عندها تقوم القوة بعمل سلبي على الجسم.
إن الشغل المبذول بواسطة قوة ثابتة على جسم ما أثناء تعرض الجسم للإزاحة يساوي المساحة المظللة في الرسم البياني للقوة (F) والإزاحة (s).
يرمز للعمل بالحرف W (حرف كبير)، بينما يرمز للوزن بالحرف w (حرف صغير). وحدة قياس العمل في النظام الدولي هي نيوتن متر (N.m). ويُعرف نيوتن متر أيضاً بالجول، ويُختصر إلى J، نسبةً إلى الفيزيائي البريطاني جيمس بريسكوت جول الذي عاش في القرن التاسع عشر.

1.2. الشغل المبذول بواسطة قوة غير ثابتة
من الأمثلة على القوى المتغيرة قوة الزنبرك. تتغير قيمة قوة الزنبرك باستمرار، لذا لا يمكن حساب الشغل المبذول بواسطة قوة الزنبرك على جسم ما باستخدام صيغة الشغل المبذول بواسطة قوة ثابتة.

إذا تم شد الزنبرك، فكلما زاد طوله زادت القوة المطلوبة. وبالمثل، كلما زاد الضغط، قلّت القوة المطلوبة عند شد الزنبرك. طالما أن الزنبرك مضغوط أو مشدود، تتغير قوته من الصفر (x = 0) إلى أقصى قيمة (F = kx)، لذا تُحسب قوة الزنبرك باستخدام المتوسط. متوسط ​​قوة الزنبرك هو:
F = ½ (0 + kx) = ½ kx
الشغل المبذول بواسطة قوة الزنبرك على جسم ما هو:
W = F x = ½ kx²
الوصف: W = الشغل (بوحدة الجول)، x = الزيادة في طول الزنبرك (بوحدة المتر)، F = قوة الزنبرك (بوحدة نيوتن).

2. الشغل الناتج أو الشغل الكلي (الشغل المنجز بواسطة القوة الكلية)
إذا كانت هناك قوة واحدة فقط تؤثر على جسم ما أثناء حركته، فإن الشغل المبذول بواسطة القوة الكلية يساوي الشغل المبذول بواسطة تلك القوة. على سبيل المثال، عندما يكون الجسم في حالة سقوط حر مع إهمال مقاومة الهواء، فإن القوة الوحيدة المؤثرة عليه هي قوة الجاذبية.
W= W_جاذبية
إذا كانت هناك عدة قوى تؤثر على جسم ما أثناء تحركه، فإن الشغل المبذول بواسطة القوة الكلية يساوي مجموع الشغل المبذول بواسطة جميع القوى المؤثرة على الجسم.
W = W₁ + ث₂ + ث₃ + … +W_n
يمكن أيضًا حساب الشغل المبذول بواسطة عدة قوى تؤثر على جسم ما عن طريق إيجاد مقدار القوة الكلية أولاً ثم ضربها في مقدار الإزاحة.
W = (القوة المحصلة)(الإزاحة) = (القوة المحصلة)(s)

ريفرينسي