أنواع الطاقة المستمدة من العمل في الفيزياء

أنواع الشغل في الفيزياء

يعتبر الشغل مقدارًا قياسيًا يمثل ناتج ضرب كميتين متجهتين، وهما القوة المؤثرة والإزاحة الناتجة عن تلك القوة. وفقًا لزاوية العلاقة بين هاتين الكميتين، يمكن تقسيم الشغل المبذول إلى ثلاثة أنواع رئيسية، كما يلي:

الشغل الإيجابي

يكون الشغل إيجابيًا عندما تكون زاوية القوة المؤثرة على الجسم والإزاحة تساوي صفر أو أقل من 90 درجة، أي 90 > (θ) ≥ 0. على سبيل المثال، عندما يقوم شخص برفع صندوق من الأرض إلى الأعلى، تكون زاوية الإزاحة بالنسبة للقوة تساوي صفر، مما يجعل الشغل المبذول موجبًا.

الشغل السلبي

يكون الشغل سالبًا عندما تزيد زاوية القوة المؤثرة على الجسم والإزاحة عن 90 درجة، أي (θ) > 90. على سبيل المثال، إذا كان جسم ما يُسحب على سطح أفقي خشن، فإن قوة الاحتكاك تؤثر في الاتجاه المعاكس، مما يجعل الزاوية بين الإزاحة والقوة تساوي 180 درجة، وبالتالي يكون الشغل المبذول سالبًا.

الشغل الصفري

يكون الشغل صفريًا إذا كانت زاوية القوة المؤثرة على الجسم والإزاحة عمودية وتساوي 90 درجة، أي (θ) = 90. على سبيل المثال، عندما يحمل شخص جسمًا على رأسه ويمشي على الأرض، تكون الزاوية بين الإزاحة والقوة 90 درجة، مما يجعل الشغل المبذول صفرًا.

قانون الشغل في الفيزياء

يُعرّف الشغل المبذول (بالإنجليزية: Work) بأنه الطاقة المطلوبة لتحقيق إزاحة لجسم ما نتيجة قوة خارجية تؤثر عليه. يُقاس الشغل بوحدة الجول، ويمثل ناتج ضرب القوة المؤثرة في الإزاحة التي يقطعها الجسم. يمكن التعبير عن العلاقة الرياضية بالشكل التالي:

الشغل المبذول = القوة المؤثرة × الإزاحة × كوساين(الزاوية بين القوة والإزاحة)

وبالرموز:

ش = ق × ف × كوساينθ

وبالرموز الإنجليزية:

W = f d cosθ

حيث تشير الرموز إلى ما يلي:

• ش (W): الشغل المبذول على الجسم، ويُقاس بالجول (نيوتن.متر).
• ق (f): القوة المؤثرة على الجسم، وتُقاس بالنيوتن.
• ف (d): الإزاحة التي يقطعها الجسم، وتُقاس بالمتر.
• θ: الزاوية بين اتجاه القوة المؤثرة واتجاه الإزاحة.

أمثلة حسابية لنوعية الشغل المبذول في الفيزياء

سنستعرض فيما يلي مجموعة من الأمثلة الحسابية المتعلقة بأنواع الشغل المبذول في الفيزياء:

حساب الشغل المبذول الإيجابي

احسب الشغل المبذول على جسم سُحب أفقيًا لمسافة 9 م بقوة مقدارها 110 نيوتن.

الحل:

1. تدوين المعطيات:
   1. القوة المؤثرة = 110 نيوتن.
   2. الإزاحة = 9 م.
   3. الزاوية بين الإزاحة والقوة = صفر (لأنهما في نفس الاتجاه).
2. تطبيق قانون الشغل المبذول:
   1. ش = ق × ف × كوساينθ
   2. ش = 110 × 9 × كوساين0
   3. الشغل المبذول = 990 جول.

حساب الشغل المبذول السلبي

احسب الشغل المبذول على جسم ينزلق نحو الأسفل مع الرغبة في رفعه لمسافة 10 م باستخدام قوة مقدارها 50 نيوتن.

الحل:

1. تدوين المعطيات:
   1. القوة المؤثرة = 50 نيوتن.
   2. الإزاحة = 10 م.
   3. الزاوية بين الإزاحة والقوة = 180 (لأنهما متعاكسان).
2. تطبيق قانون الشغل المبذول:
   1. ش = ق × ف × كوساينθ
   2. ش = 50 × 10 × كوساين180
   3. الشغل المبذول = -500 جول.

حساب الشغل المبذول الصفري

احسب الشغل المبذول على صندوق وزنه 70 نيوتن يسير معه رجل لمسافة 14 م.

الحل:

1. تدوين المعطيات:
   1. القوة المؤثرة = 70 نيوتن.
   2. الإزاحة = 14 م.
   3. الزاوية بين الإزاحة والقوة = 90 (لأن اتجاه القوة عمودي على الإزاحة).
2. تطبيق قانون الشغل المبذول:
   1. ش = ق × ف × كوساينθ
   2. ش = 70 × 14 × كوساين90
   3. الشغل المبذول = 0 جول.