الفيزياء ، بالإضافة إلى كونها كلمة تخيف للأسف هواة العلوم المستقبلية المحتملين مسبقًا ، فهي في جوهرها دراسةكيف تتحرك الأشياء. يتضمن هذا كل شيء من مجموعات المجرات الكاملة إلى الجسيمات التي تكاد تكون أصغر من أن تتخيلها ، ناهيك عن تصورها بشكل صحيح.
وجزء كبير من الفيزياء التطبيقية (أي فرع العلوم الفيزيائية المعني باستخدام المعرفة بدلاً من التنظير "فقط") هو اكتشاف كيفية الحصول على المزيدالشغلمن أقلطاقة.
العمل ، بالإضافة إلى كونه التزامًا شبه يومي للموظفين والطلاب بالإضافة إلى عامة دلالة على الجهد المبذول بشكل جيد ، هي واحدة من عدد من الكميات الشكلية الحيوية في الفيزياء التي تحتوي على وحدات طاقة. باختصار ، كلما تم استخدام الطاقة لتحريك جسم ما ، يتم العمل على ذلك الجسم.
تشمل الأمثلة اليومية للعمل الذي يتم إنجازه المصاعد التي تنقل نزلاء الفندق إلى طوابقهم ، أو طفل يسحب زلاجة لأعلى تل أو يوسع الغاز في محرك احتراق يقود مكبسًا. لفهم هذا المفهوم بشكل صحيح ، من المفيد مراجعة بعض الأساسيات حول الطاقة والحركة والمادة التي تجعل "العمل" مفهومًا قابلاً للتطبيق في العلوم الفيزيائية في المقام الأول.
تعريف العمل
استخدم النتيجة المادية لقوة مطبقة على مسافة معينة ، حيث تنتج القوة إزاحة للجسم الذي تعمل عليه. يكون للعمل قيمة موجبة عندما تكون القوة في نفس اتجاه الحركة وقيمة سالبة عندما تكون في نفس اتجاه الحركة الاتجاه المعاكس (حتى أن "العمل السلبي" قد يبدو غريبًا ، لكنك سترى كيف لحظيا). أي نظام يمتلك الطاقة قادر على القيام بالعمل.
عندما لا يتحرك كائن ، لا يتم عمل أي عمل عليه. هذا صحيح بغض النظر عن مقدار الجهد المبذول في مهمة ، مثل محاولة تحريك صخرة كبيرة بنفسك. في هذه الحالة ، تفقد الطاقة من تقلصات عضلاتك مع تبديد الحرارة من تلك العضلات. لذلك ، على الرغم من عدم قيامك بأي عمل في هذا السيناريو ، فإنك على الأقل تحصل على عملخارجمن نوع ما.
فقط عنصر القوة الموجهة بالتوافق مع إزاحة الجسم يساهم في الشغل المبذول عليه. إذا كان شخص ما يسير في اتجاه يقابل المحور x الموجب على نظام إحداثيات نموذجي ويواجه قوة من يساره يكون متجههاتقريبياعموديًا على حركتها ولكنها تشير بشكل طفيف جدًا في الاتجاه x ، فقط ذلك المكون x الصغير نسبيًا لعامل القوة في المشكلة.
عندما تمشي على الدرج ، فأنت تقوم بعمل لمنع نفسك من التحرك بشكل أسرع (السقوط الحر) ، ولكن نظرًا لأن حركتك لا تزال في الاتجاه المعاكس لجهودك ، فهذا مثال على العمل مع سلبي لافتة. العمل الصافي المشترك المنجز عليك عن طريق الجاذبية ونفسك موجب ، ولكنه رقم موجب أصغر مما سيكون عليه بدون "العمل" في معارضة مباشرة.
العمل له وحدات طاقة
الطاقة الكلية للنظام هي طاقته الداخلية أو الحرارية بالإضافة إلى طاقته الميكانيكية. يمكن تقسيم الطاقة الميكانيكية إلى طاقة الحركة (الطاقة الحركية) والطاقة "المخزنة" (الطاقة الكامنة). إجمالي الطاقة الميكانيكية في أي نظام هو مجموع طاقاته المحتملة والحركية ، ويمكن أن يتخذ كل منها أشكالًا مختلفة.
الطاقة الحركية هي طاقة الحركة عبر الفضاء ، الخطية والدورانية. إذا كانت الكتلةميقبع مسافةحفوق الأرض ، طاقتها الكامنةمزح. حيث التسارع بسبب الجاذبية ،زتبلغ قيمته 9.80 م / ث2 بالقرب من سطح الأرض.
إذا تم إطلاق الجسم من السكون على ارتفاع h وسمح له بالسقوط لأسفل على الأرض (ع = 0) ، فإن طاقته الحركية عند الاصطدام هي (1/2) مالخامس2= mgh ، حيث تم تحويل كل الطاقة من إمكانات إلى حركية أثناء السقوط (بافتراض عدم وجود خسائر احتكاكية أو حرارية). في جميع الأوقات ، يظل مجموع الطاقة الكامنة للجسيم وطاقته الحركية ثابتًا.
- لأن القوة لها وحدات مننيوتن(كجم⋅ م / ث2) في نظام SI (متري) والمسافة بالأمتار ، والعمل والطاقة بشكل عام لهما وحدات بالكيلو جرام2/س2. تُعرف وحدة عمل SI هذه باسمجول.
صيغة العمل
المعادلة القياسية للعمل هي:
W = F \ cdot د
أيندهو الإزاحة. على الرغم من أن كلا من القوة والإزاحة كميات متجهة ، إلا أن حاصل ضربهما منتج قياسي (يسمى أيضًا حاصل الضرب القياسي) هذا الفضول صحيح بالنسبة للكميات المتجهة الأخرى التي يتم ضربها معًا ، مثل القوة والسرعة ، حيث ينتج عن الضرب القدرة الكمية العددية. في حالات مادية أخرى ، ينتج عن مضاعفة المتجهات كمية متجهة ، تُعرف باسم حاصل الضرب التبادلي.
القوى الفردية في النظامF1، F2، F3 ... Fنالقيام بعمل مع مقادير تساويF1د1، F2د2، وما إلى ذلك وهلم جرا؛ يمكن تلخيص هذه المنتجات الفردية ، التي يمكن أن تحتوي على قيم سلبية وكذلك إيجابية ، لإعطاء قيم النظامإجمالي العمل، أوشبكة الاتصال. صيغة صافي العمل Wصافي يتم إجراؤه على جسم بواسطة قوة محسوسةFشمال شرقر هو
W_ {net} = F_ {net} \ cdot d = F_ {net} d \ cos {\ theta}
أينθهي الزاوية بين اتجاه الحركة والقوة المطبقة. يمكنك أن ترى ذلك لقيمθالتي يكون فيها جيب تمام الزاوية 0 ، كما هو الحال عندما تكون القوة متعامدة على اتجاه الحركة ، فلا يتم عمل صافي. أيضًا ، عندما تعمل القوة الكلية عكس اتجاه الحركة ، تعطي دالة جيب التمام قيمة سالبة ، مما ينتج عنه "الشغل السالب" المذكور أعلاه نتيجة لذلك.
كيف تحسب العمل
يمكنك حساب إجمالي الشغل عن طريق جمع مقدار الشغل الذي تقوم به قوى مختلفة في مشكلة ما. في جميع الحالات ، يتطلب حساب العمل فهماً كاملاً للمتجهات في المشكلة ، وليس مجرد الأرقام المصاحبة لها. سوف تحتاج إلى استخدام علم المثلثات الأساسي.
- ملحوظة:في الحياة الواقعية ، عندما تؤثر قوة على جسم ما إلى جانب الجاذبية ، فمن غير المرجح أن تكون ثابتة. يمكن افتراض أن أي قوة F تراها مذكورة في هذه الأمثلة هي قوة ثابتة. عندما تختلف القوى ، تظل العلاقات المذكورة هنا صالحة ، لكنك ستحتاج إلى إجراء حساب متكامل لحل المشكلات المرتبطة.
مثال:الكلب الذي يسحب مجموعة مزلجة للأطفال وزنها 20 كجم عبر حقل ثلجي أفقي يتسارع من السكون إلى سرعة 5 م / ث على مدار 5 ثوانٍ (أ= 1 م / ث2). ما مقدار الشغل الذي يقوم به الكلب في مجموعة الزلاجات للأطفال؟ افترض أن الاحتكاك ضئيل.
أولاً ، تحسب القوة الكلية التي يمارسها الكلب على الطفل والمزلقة:F= مأ= (20 كجم) (1 م / ث2) = 20 ن. الإزاحة هي السرعة المتوسطة (v - v0) / 2 (= 5/2) مضروبًا في الوقت t (= 5 s) ، وهو 12.5 مترًا. وبالتالي فإن إجمالي العمل هو (20 نيوتن) (12.5 م) =250 جول.
- كيف تحل هذه المشكلة باستخدام نظرية الشغل والطاقة بدلاً من ذلك؟
اعمل للقوة بزاوية
عندما لا يتم تطبيق القوة عند 0 درجة (على سبيل المثال ، إذا كانت بزاوية مع الكائن) ، استخدم حساب المثلثات البسيط للعثور على الشغل المنجز على هذا الكائن. ما عليك سوى معرفة كيفية استخدام جيب التمام والجيب لمشاكل المستوى التمهيدي.
على سبيل المثال ، تخيل الكلب في الوضع أعلاه يقف على حافة منحدر ، بحيث يصنع الحبل بين الطفل والكلب زاوية 45 درجة مع حقل الثلج الأفقي. إذا طبق الكلب نفس القوة السابقة على هذه الزاوية الجديدة ، فستجد أن المكون الأفقي لـ تُعطى هذه القوة (cos 45 °) (20 N) = 14.1 N ، وأن الشغل الناتج على المزلقة هو (14.1 N) (12.5) م) =176.8 جول. يتم إعطاء التسارع الجديد للطفل من خلال قيمة القوة وقانون نيوتن ،F= مأ: (14.1 نيوتن) / 20 كجم) = 0.71 م / ث2.
نظرية العمل والطاقة
انهانظرية العمل والطاقةالتي تمنح العمل رسميًا "امتياز" التعبير عنه من حيث الطاقة. وفقًا لنظرية الشغل والطاقة ، فإن صافي الشغل المبذول على جسم ما يساوي التغير في الطاقة الحركية:
W_ {net} = \ frac {1} {2} mv ^ 2- \ frac {1} {2} mv_0 ^ 2
حيث م هي كتلة الجسم والخامس0والخامسهي سرعاتها الأولية والنهائية.
هذه العلاقة مفيدة جدًا في المسائل التي تتضمن الشغل والقوة والسرعة حيث مقدار القوة أو بعض المتغيرات الأخرى غير معروفة ، ولكن لديك أو يمكنك حساب باقي ما تحتاجه للمضي قدمًا نحو a المحلول. كما أنه يؤكد حقيقة أنه لا يتم عمل شبكة بسرعة ثابتة.
العمل الدوراني
تأخذ نظرية الشغل والطاقة ، أو مبدأ العمل والطاقة ، شكلاً يمكن التعرف عليه ، ولكنه يختلف قليلاً عن الأشياء التي تدور حول محور ثابت:
W_ {net} = \ frac {1} {2} I \ omega_f ^ 2- \ frac {1} {2} I \ omega_i ^ 2
هناωهي السرعة الزاوية بالتقدير الدائري في الثانية (أو الدرجة في الثانية) وأناهي كمية مماثلة للكتلة في حركة خطية تسمى لحظة القصور الذاتي (أو اللحظة الثانية من المنطقة). إنه خاص بشكل الكائن الدوار ويعتمد أيضًا على محور الدوران. تتم الحسابات بنفس الطريقة العامة للحركة الخطية.
ما هي قوانين نيوتن للحركة؟
اقترح إسحاق نيوتن ، أحد رواد العقول الرياضية والعلمية في الثورة العلمية ، ثلاثة قوانين تحكم سلوك الأجسام المتحركة.
- قانون نيوتن الأول للحركةتنص على أن الجسم يتحرك مع ثابت● السرعةستبقى في تلك الحالة ما لم يتم التصرف بموجبها من قبل جهة خارجية غير متوازنةفرض. نتيجة مهمة لهذاقانون القصور الذاتيهي أن القوة الكلية ليست مطلوبة للحفاظ حتى على أعلى سرعة بشرط ألا تتغير السرعة.
- قانون نيوتن الثاني للحركةتنص على أن القوى الصافية تعمل على تغيير سرعة ، أوتسريع، الجماهير:Fصافي= مأ. القوة والتسارعكميات ناقلاتولها كل من الحجم والاتجاه (مكونات x و y و z أو إحداثيات زاوية) ؛ الكتلة أالكمية العدديةويمتلك المقدار فقط. العمل ، مثل جميع أشكال الطاقة ، هو كمية قياسية.
- قانون نيوتن الثالث للحركةينص على أنه لكل قوة في الطبيعة توجد قوة مساوية في الحجم ولكنها معاكسة في الاتجاه. هذا هو ، لكلFتوجد قوة-Fداخل نفس النظام ، سواء كان النظام هو النظام الذي حددته بحدودك الخاصة أو هو ببساطة الكون ككل.
يتعلق قانون نيوتن الثاني مباشرة بقانون الحفاظ على الطاقة ، والذي يؤكد أن إجمالي الطاقة في النظام (الإمكانات) بالإضافة إلى الحركية) ثابتة ، مع نقل الطاقة من شكل إلى آخر ولكن لا يتم "تدميرها" أو إنتاجها لا شيئ.
