الشغل والطاقة
مقدمــة:
نتطرق في حياتنا اليومية إلى عدد من المفاهيم
والتعابير للدلالة على أي نشاط نقوم به ويحتاج إلى جهد بدني لإتمامه.
من هذه المفاهيم إطلاقنا لكلمات كالشغل والقدرة
والطاقة للدلالة على القدرة على القيام بعمل ما ولكن مثل هذه المصطلحات التي نستخدمها
في العموم لها معان محددة ودلالات خاصة في علم الفيزياء.
سوف نتطرق في هذا الفصل لشرح بعض منها وإيجاز
بعض من خصائصها وطرق حسابها رياضياً.
الشغل
تعريف الشغلWork “W”: هو القوة الخارجية
التي اذا أثرت على جسم فإنها تزيحه مسافة معينة.
عندما تؤثر قوة على جسم ما بحيث تغير في موضعه
من نقطة لأخرى فإننا نقول أن هذه القوة بذلت شغلاً على الجسم.
الشغل يعتمد في قيمته على عدة عوامل أهمها مقدار
الإزاحة التي تحركها الجسم والقوة المسببة لهذه الحركة في نفس اتجاه الإزاحة.
رياضياً يمكن تعريف الشغل كحاصل الضرب القياسي
للقوة والإزاحة. بمعني أنه لو أثرت قوة ” F“ على جسم ما فأزاحته
بمقدار ” d “
فإن الشغل المبذول ”W“ يساوي
W = F.d
وحدة قياس الشغل هي الجول (Joule)
أقصى قيمة للشغل تحدث عندما تكون القوة موازية
للإزاحة (في نفس اتجاه الحركة) وعليه فإن قيمة الشغل تساوي
W = F d
أقل قيمة للشغل تحدث عندما تكون القوة في عكس
اتجاه الحركة وعليه فإن مقدار الشغل المبذول يساوي
W = - F d
لو كانت القوة عمودية على اتجاه الحركة فإن الشغل
يساوي صفر
W = 0
الشغل
يقوم اللاعب ببذل شغل موجب بنقل الطاقة
إلى الكرة، ويقوم اللاعب المستلم للكرة ببذل شغل سالب لإيقافها.3
الشغل
مثال: تحرك جسم مسافة قدرها 6 متر تحت تأثير
قوة خارجية أفقية. إذا علمت أن الشغل المبذول يساوي 120 جول فأوجد قيمة القوة.
الحل:
بما أن القوة موازية للإزاحة فإن الشغل
يساوي
W = F.d
قيمة القوة المؤثرة تساوي
F = W/d = 120/6 = 20 N
المعطيات: d = 6 m W =
120 J
المطلوب: F = ?
القدرة
تعريف القدرة Power ”P“:هي المقدرة على
بذل شغل ما في فترة معينة.
كلما قلت الفترة الزمنية ”t“ التي تنجز خلالها
عملاً ما أو شغلاً ”W“ ما كلما زادت كفاءتك وقدرتك.
وحدة قياس القدرة هي جول لكل ثانية = الوات (Watt)
للقدرة الميكانيكية وحدة أخرى نسمع بها عند شرائنا
لسيارة جديدة أو محرك كهربائي ضخم وهي وحدة الحصان horse power ≈ 746 وات.
الطاقة
تعريف الطاقة Energy : هي المقدرة على
القيام بشغل ما.
الطاقة هي القدرة على بذل شغل وبالتالي فهي ناتجة
عن قوة ما. فلو أثرت قوة ما على جسم فإنها تسبب تغيراً في حركته (سرعته) أو في موضعه
العمودي أو في الأثنين معاً.
تقسم الطاقة لثلاثة أقسام رئيسية هي:
الطاقة الحركية (K)
2. الطاقة الكامنة (U )
3. الطاقة الميكانيكية الكلية (E)
الطاقة
الطاقة الحركية: وهي الطاقة المصاحبة لتغير سرعة
الجسم فلو أثرت قوة على جسم ساكن فإنه سيتحرك إلى أن تصل سرعته ”V“ وبالتالي فإن طاقته
الحركية ”K ” تساوي
m = كتلة الجسم
وحدة قياس الطاقة الحركية هي الجول كما هو الحال
مع الشغل.
الشغل يساوي التغير في الطاقة الحركية للجسم.
(W = K)
الطاقة
مثال: ماهو الشغل المبذول لتحريك جسم كتلته
2 كجم إذا كانت سرعته 11 م/ث؟
الحل:
بما أن التغير في الطاقة الحركية يساوي الشغل
(W = K) و بالتالي فإن
W= ½ mv2
W = ½ x 2 x (11)2 = 121 J
المعطيات: v = 11 m = 2 kg
المطلوب: W = ?
الطاقة الكامنة (U ): هي الطاقة المصاحبة
لتغير ارتفاع الجسم عن الأرض فلو تغير ارتفاع جسم ما بمقدارh عن الأرض فإن الطاقة الكامنة في
حال كان الجسم صاعداً للأعلى (في هذه الحالة تكون القوة في عكس اتجاه الإزاحة) تساوي
U = - m g h
g : تسارع الجاذبية
الأرضية = 9.81 m/s2
m : كتلة الجسم
لو كان الجسم نازلاً للأسفل (القوة في نفس اتجاه
الإزاحة) فإن الطاقة الكامنة تساوي
U = m g h
معنى هذه القيمة أنه وعند إهمال تأثير الاحتكاك
بالهواء أن سرعة السقوط الحر لجسم تزداد بمعدل 9.81 متر في الثانية في كل ثانية
مثال: رفع شخص جسما˝ كتلته 10 كجم لمسافة
عمودية قدرها 5 متر فوق سطح الأرض ماهو الشغل الناتج عن هذه العملية؟
الحل:
الشغل الناتج عن جاذبية الأرض يعرف بالعلاقة
التالية:
W = - mgh
الإشارة السالبة لأن الجسم يتحرك في عكس إتجاه
القوة و بالتالي يكون الشغل:
W = -10 X 9.81 X 5 = -490 J
الطاقة
المعطيات: m = 10 kg h = 5
m
المطلوب: W = ?
الطاقة الميكانيكية الكلية: وهي الطاقة الكلية
”E ” التي يكتسبها أو يستهلكها الجسم لبذل شغل ما وهي حاصل جمع الطاقة
الحركية والكامنة.
E = K + U = 1/2 m v2 + m g h
الطاقة الميكانيكية الكلية لأي جسم تبقى قيمتها
ثابتة لاتتغير ولكنها تتحول من شكل إلى شكل آخر وهذا ما يطلق عليه مبدأ حفظ الطاقة.
الطاقة
مصادر الطاقة
للطاقة مصادر عدة منها ما هو طبيعي ومنها ماهو
صناعي.
أولاً: المصادر الطبيعية
الشمس
الرياح
مساقط المياه ( الشلالات )
الوقود
النباتات
الطاقة النووية
ثانياً: المصادر الصناعية
السدود والخزانات
محطات توليد الكهرباء
مصادر الطاقة الطبيعية
الشمس:-
الشمس هي المصدر الرئيسي لمعظم الطاقات
على سطح الأرض. فمن المعلوم أن الشمس هي مصدر الطاقات لبعض العمليات مثل:
عملية البناء الضوئي في النباتات الخضراء.
تبخير مياه البحار والمحيطات والأنهار لتكوين
السحب.
تحريك الرياح التي تحمل السحب إلى أماكن سقوط
المطر.
استخدامات الطاقة الشمسية:
تزويد المنازل باحتياجاتها من المياه الدافئة
عن طريق السخانات.
تحلية مياه البحار (عن طريق عمليتي التبخير
والتكثيف): و تكمن هذه العملية في رفع درجة حرارة المياه المالحة إلى درجة الغليان
لفصل الأملاح والمواد العـالقة وتكوين بخار الماء الذي يتم تكثيفه بعد ذلك إلى ماء
عذب صـالح للشـرب أو الري.
توليد الطاقة الكهربية.
مصادر الطاقة الطبيعية
الضوء يستطيع تحرير الإلكترونات من بعض
المعادن
كيفية تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية
مصادر الطاقة الطبيعية
الرياح:
أهمية طاقة الرياح:
تحريك المراكب الشراعية.
توليد الطاقة الكهربية باستخدام المراوح الهوائية.
كيف يتم تحويل الطاقة الميكانيكية (حركة الرياح)
إلى طاقة كهربائية؟
تقوم الرياح بتدوير المروحة، هناك مغناطيس
يدور بدوران المروحة، هناك وشيعة مثبتة خارج محور الدوران لكنها ثابتة لاتدور. عندما
يمر المغناطيس من آمام الوشيعة يحدث تغير في المجال المغنطيسي للوشيعة، ينتج عن هذا
التغير حركة إلكترونات داخل سلك الوشيعة، وبما آن هناك حركة إلكترونات إذن هناك تيار
كهربائي.
الوشيعة : سلك من نحاس مكسو بطبقة عازلة
، هذا السلك ملفوف عدة لفات ، يسمى وشيعة
معلومة اثرائية
إرسال تعليق