بحث عن الطاقة والشغل

يُعرف الشُغل فيزيائياً بأنه مقدار الطاقة اللازمة لتحريك جسم ذي كتلة مُعينة لمسافة مُعينة، ولا يقتصر مفهوم الشُغل على تحريك الأجسام فقط فهو مفهوم عام يُعَبر عن انتقال الطاقة الى الجسم، فضغط الغازات داخل الأسطوانة شُغل ايضاً، كما يُمكن التعبير عن الشُغل رياضياً بحاصل ضرب فرق المسافة أو الحجم مع القوة الموثرة عليه.

في هذا المقال نستعرض معا تعريف الشغل والطاقة وعلاقتهما ببعض في الفيزياء وقانون الطاقة الحركية والشغل والآلات البسيطة والطاقة الحركية.

تعريف الشغل والطاقة

الشغل هو من الكميات المرتبطة بالقوة، فتبذل القوة شغلاً على جسمٍ ما عندما تحركه باتجاهها بمقدار إزاحةٍ معين، ويقاس الشغل بوحدة الجول، وتوجد للشغل العديد من التطبيقات المختلفة في العلوم كالشغل الميكانيكي، والشغل الكهربائي وهو الشغل المبذول على الجزيئات المشحونة من مجال كهربائي، أو الشغل في الديناميكا الحرارية وغيرها.
تعريف الطاقة فهو قدرة الجسم على بذل الشغل، وتقاس الطاقة بوحدة الجول، والطاقة محفوظةٌ في الكون منذ نشأته أيضاً؛ فالطاقة لا تفنى ولا تُستحدث وإنما تتغير من شكلٍ إلى آخر. توجد العديد من الأشكال المختلفة للطاقة كالطاقة الحركيّة، والطاقة الكهربائية، والحرارية، والنووية، وطاقة الوضع.

قانون الطاقة الحركية في الفيزياء

عندما تؤثر قوة ما بجسم ساكن فإنهّا تحركه، أما إذا كان الجسم متحركًا فإنّها تؤدي إلى تسارعه، تحتاج القوة إلى بذل مجهود محدد يسمى شغلًا، يؤدي إلى انتقال الطاقة إلى الجسم فيكتسب طاقة حركية، وتعتمد كمية الطاقة المنقولة على كتلة الجسم والسرعة التي اكتسبها، وتنتقل الطاقة الحركية بين الأجسم كما تتحول من شكل إلى آخر، لحساب كمية الطاقة الحركية، يجب معرفة قيمة الشغل المبذول بواسطة قوة ما، ويمكن اشتقاق قانون الطاقة الحركية باستخدام قانون الشغل والطاقة، مثلأً إذا أثرت قوة ما ق في جسم ساكن كتلته ك وتمت ازاحته مسافة مقدارها ف، فإن مقدار الشغل المبذول يتم حسابه باستخدام الصيغة الآتية:

الشغل = القوة * المسافة وبما أن مقدار القوة يتم حسابه وفقًا للصيغة التالية: القوة (ق) = الكتلة (ك) * التسارع (ت) ومنه فإن: الشغل (ش) =الكتلة (ك) * التسارع (ت) *المسافة (ف) وباستخدام قانون نيوتن في الحركة للتعوض في قيمة التسارع، تصبح المعادلة: ش = ك * (ع2 ²-ع1 ²)/ 2ف * ف ش = ك * (ع2 ²-ع1 ²)/2 ش = 1/2*ك*ع2 ² _ 1/2*ك*ع1 ² حيث (ع) هي السرعة و بما أنّ صافي الشغل يساوي مقدار التغير في الطاقة الحركية، فإنّ: الطاقة الحركية (ط ح) = 1/2 * ك * ع ² وتسمى الوحدة التي تستخدم في قياس الطاقة الجول، نسبة إلى الفيزيائي الإنجليزي جيمس بريسكوت جول، حيث واحد جول = 1 نيوتن لكل 1متر.

الشغل والطاقة والالات البسيطة

الشغل : هو عملية انتقال الطاقة بالطرق الميكانيكية. فأنت خزنت شغلا في الأداة كفتاحة الزجاجات مثلا لذا تكون قد نقلت طاقة إلى الأداة. وفي المقابل بذلت فتاحة الزجاجات شغلا على الغطاء ولذا فقد نقلت الطاقة إليه. ولا تعد فتاحة الزجاجات مصدر طاقة ولذلك لا يكتسب الغطاء طاقة تزيد على كمية الطاقة التي خزنتها في فتاحة الزجاجات. وهذا يعني أن الشغل الناتج لا يمكن أن يكون أكبر من الشغل المبذول .
أما الآلة البسيطة فهي أداة صلبة تستعمل للقيام بأعمال مختلفة، وفيها تستخدم قوة عند نقطة معينة تسمى (الجهد) للتغلّب على قوة أخرى تؤثر عند نقطة أخرى مختلفة تسمى (الحمولة)
هنالك ستة أنواع أساسية من الآلات البسيطة: الرافعة، البكرات، السطح المائل، العجلة والمحور، البرغي، الإسفين.

العلاقة بين الشغل والطاقة الحركية

القوّة هي المُحرّك الرئيسي للأجسام والعمليات في الكون، وعندما تؤثر قوةٌ ما على جسمٍ فتُحرّكه باتجاهها أو إلى اتجاهٍ آخر فإنّ هذه القوة تبذل الشغل على هذا الجسم، وفي حال لم يتحرك الجسم فلا يوجد شغلٌ مبذول، وتتغير طاقة الجسم بمقدار الشغل المبذول عليه سواءً كان موجباً أو سالباً، إلّا أنّ هذه الطاقة لا تفنى وإنما تتحوّل إلى شكلٍ آخر، فعند رفع جسمٍ ما عن الأرض على سبيل المثال فإنّك تؤثر عليه بقوةٍ للأعلى، وتبذل هذه القوة شغلاً على الجسم بمقدار الإزاحة التي تُحرّكها الجسم، وتتغير طاقة الجسم الحركية بمقدار الشغل المبذول على هذا الجسم.

العلاقة بين طاقة الحركة وكمية التحرك

الاجسام المتحركة لها خاصية تمكنها من التأثير بقوة معينة على أي شخص أو أي شيء يحاول إيقافها. وكلما كانت سرعة الجسم اكبر كلما كان من الصعب إيقافه. علاوة على ذلك، كلما زادت كتلة الجسم كلما زادت صعوبة إيقافه. فمثلاً، من السهل إيقاف دراجة متحركة بسرعة مقدارها 2 m/s، ولكن إيقاف سيارة متحركة بنفس مقدار السرعة ليس لهذه الدرجة من السهولة، وقد أطلق نيوتن على هذه الخاصية للجسم المتحركة اسم كمية الحركة، ولكنها تسمى اليوم كمية التحرك الخطي للجسم المتحرك.
P = mv = كمية التحرك الخطي
حيث P هو الرمز المستخدم لكمية التحرك الخطي. ونطراً لن كمية التحرك الخطي كمية مشتقة فغن وحداتها تستنتج من تعريفها؛ وهذه الوحدات هي kg. m/s في نظام الوحدات SI. هذه حالة لم يعط فيها اسم خاص لوحدة مشتقة.