مبدأ الشغل والطاقة الميكانيكية
تنص نظرية الطاقة الحركية على أن الشغل الكلي أو الشغل الذي تقوم به القوة المحصلة يساوي التغير في الطاقة الحركية.
W net = TO t – TO o = 1⁄2 m(v t 2 – v o 2 )
الشغل الصافي = هناك نوعان من القوى، وهما القوة المحافظة والقوة غير المحافظة. وبالتالي، يمكن اعتبار الشغل الصافي مكونًا من الشغل المبذول بواسطة القوة المحافظة والشغل المبذول بواسطة القوة غير المحافظة.
W c + W nc = ΔKE
الشغل المبذول بواسطة قوة محافظة يساوي التغير السالب في طاقة الوضع:
W c = -ΔPE
– ΔPE + W nc = ΔKE
W nc = ΔPE + ΔKE
Wnc = ΔME
تنص المعادلة أعلاه على أن الشغل المبذول بواسطة قوة غير محافظة على جسم ما يساوي التغير في الطاقة الميكانيكية لهذا الجسم. الطاقة الميكانيكية = طاقة الوضع + الطاقة الحركية. يمكن أن تتخذ طاقة الوضع شكل طاقة وضع جاذبية أو طاقة وضع مرونة.
مثال على سؤال: نظرية الشغل والطاقة الميكانيكية
يتحرك صندوق كتلته ٢ كجم بسرعة ابتدائية قدرها ١٠ م/ث. بعد فترة وجيزة، يتوقف الصندوق. معامل الاحتكاك الحركي بين الصندوق والأرضية هو ٠.٢. تسارع الجاذبية الأرضية هو ١٠ م/ث² . ما مقدار إزاحة الصندوق؟
مناقشة:
تم تحديد: m = 2 kg، v o = 10 m/s، vt = 0، k = 0.2، w = mg = (1 kg)(10 m/s 2 ) = 10 kg m/s 2 = 10 نيوتن،
المطلوب: مقدار إزاحة الصندوق (s)
نظرية الشغل والطاقة الميكانيكية:
W nc = ΔME
W nc = ΔPE + ΔKE
يظل الارتفاع (h) ثابتًا أو لا يوجد تغيير في الارتفاع، لذلك لا يوجد تغيير في طاقة الوضع التثاقلية.
Wnc = ΔKE
الشغل المبذول بواسطة قوة الاحتكاك الحركي هو:
W nc = – f k s = μ k N -s = μ k w -s = μ k mg -s
W nc = – (0.2)(2)(10)(s) = – (4)(s)
قوة الاحتكاك الحركي تقوم بعمل سالب (قوة الاحتكاك الحركي تكون في الاتجاه المعاكس لإزاحة الجسم).
التغير في الطاقة الحركية:
ΔKE = ½ m (v t 2 – v o 2 ) = ½ (2)(0 2 – 10 2 ) = (0 – 100) = – 100
إزاحة الجسم:
W nc = ΔKE
– (4)(s) = – 100
s = – 100 / – 4 = 25 مترًا
20 سؤالاً وجواباً مفاهيمياً حول مبدأ الشغل والطاقة الميكانيكية:
1. السؤال: ما هو مبدأ الشغل والطاقة الميكانيكية؟ الجواب: ينص مبدأ الشغل والطاقة الميكانيكية على أن الشغل المبذول على جسم ما يساوي التغير في طاقته الميكانيكية.
2. السؤال: كيف يُعرَّف الشغل في الفيزياء؟ الجواب: يُعرَّف الشغل بأنه حاصل ضرب القوة المؤثرة على جسم ما في المسافة التي يقطعها في اتجاه القوة.
3. السؤال: ما الذي يشكل الطاقة الميكانيكية؟ الجواب: تتكون الطاقة الميكانيكية من الطاقة الحركية وطاقة الوضع للجسم.
4. السؤال: في غياب القوى غير المحافظة، ماذا يمكن قوله عن الطاقة الميكانيكية الكلية لنظام مغلق؟ الجواب: تبقى الطاقة الميكانيكية الكلية ثابتة.
5. السؤال: أعطِ مثالاً على قوة محافظة. الجواب: قوة الجاذبية مثال على قوة محافظة.
6. السؤال: ما الفرق بين طاقة الوضع والطاقة الحركية؟ الجواب: طاقة الوضع هي الطاقة الناتجة عن الموقع، مثل الارتفاع فوق سطح الأرض، بينما الطاقة الحركية ناتجة عن الحركة.
7. السؤال: كيف يرتبط الشغل المبذول بواسطة قوة محافظة بالطاقة الكامنة؟ الجواب: الشغل المبذول بواسطة قوة محافظة يساوي التغير السالب في الطاقة الكامنة.
9. السؤال: كيف يفسر مبدأ الشغل والطاقة الميكانيكية تحول الطاقة الكامنة إلى طاقة حركية في جسم يسقط سقوطًا حرًا؟ الجواب: عندما يسقط الجسم، تنخفض طاقته الكامنة وتزداد طاقته الحركية بمقدار مكافئ، مما يحافظ على ثبات الطاقة الميكانيكية الكلية.
10. سؤال: ماذا يحدث للطاقة الميكانيكية لنظام ما عندما تؤثر عليه قوى غير محافظة، مثل الاحتكاك؟ جواب: تنخفض الطاقة الميكانيكية لأن القوى غير المحافظة تبدد الطاقة، غالباً على شكل حرارة.
11. السؤال: هل يمكن أن تزداد الطاقة الميكانيكية لنظام ما؟ الجواب: نعم، عندما يتم بذل شغل خارجي على النظام.
12. السؤال: كيف يرتبط مفهوم الشغل بالطاقة؟ الجواب: الشغل هو الوسيلة التي يتم من خلالها نقل الطاقة أو تحويلها في نظام ما.
13. السؤال: إذا كان جسم ما يتحرك بسرعة ثابتة، فماذا يمكن قوله عن الشغل الكلي المبذول عليه؟ الجواب: الشغل الكلي المبذول عليه يساوي صفرًا لأنه لا يوجد تسارع.
15. سؤال: لماذا يمتلك الزنبرك المضغوط طاقة كامنة؟ جواب: عندما يُضغط الزنبرك، يُبذل عليه شغل يُخزّن على شكل طاقة كامنة. ويمكن تحرير هذه الطاقة عند ترك الزنبرك.
16. السؤال: ما هي نظرية الشغل والطاقة؟ الجواب: تنص نظرية الشغل والطاقة على أن الشغل المبذول على جسم ما يساوي التغير في طاقته الحركية.
17. السؤال: ما علاقة القدرة بالشغل؟ الجواب: القدرة هي معدل إنجاز الشغل أو نقل الطاقة. تُحسب بالمعادلة: ، حيث هو الشغل و هو الزمن.
18. سؤال: هل يمكن أن يكون للشغل قيمة سالبة؟ جواب: نعم، يكون الشغل سالباً عندما تكون القوة واتجاه الحركة متعاكسين.
19. السؤال: إذا كانت الزاوية بين القوة واتجاه الحركة 90 درجة، فما مقدار الشغل المبذول؟ الجواب: الشغل المبذول يساوي صفرًا لأن القوة ليس لها مركبة في اتجاه الحركة.
20. السؤال: كيف تُسهّل آلة بسيطة، مثل الرافعة، العمل؟ الجواب: لا تُغيّر الرافعة مقدار العمل الكلي المنجز، ولكنها تُغيّر طريقة تطبيق القوة، مما يجعل المهمة أكثر قابلية للإدارة أو كفاءة.
يُعد مفهوم الشغل ومبدأ الطاقة الميكانيكية أساسيين في الفيزياء ويوفران فهمًا أساسيًا لكيفية نقل الطاقة وتحويلها في الأنظمة المختلفة.
