الشغل والطاقة والقدرة والزخم – فيزياء الخامس العلمي

مقدمة

في هذه المحاضرة الأولى من الفصل ، يقدّم الأستاذ منتظر الخفاجي شرحًا مفصلًا لموضوع “الشغل والقدرة والطاقة والزخم” في مادة الفيزياء للصف الخامس العلمي. يتناول الشرح المفاهيم الفيزيائية والرياضية للشغل، ويوضح من خلال أمثلة وملاحظات تفصيلية كيف نفهم هذا المفهوم ونطبقه في المسائل المختلفة.

مفهوم الشغل (Work)

أولًا: الشغل بالمعنى الفيزيائي

تعريف:
الشغل بالمعنى الفيزيائي هو قوة مقدارها (F) تؤثر على جسم وتزيحه إزاحة معينة (x)، بشرط أن تكون هذه الإزاحة في اتجاه موازٍ للقوة أو لإحدى مركباتها.

مثال:
إذا دفع شخص صندوقًا على سطح أفقي بقوة F، وتحرك الصندوق إلى الأمام، فإن القوة تؤثر في اتجاه الإزاحة، وبالتالي يكون هناك شغل.

ملاحظة:

• لا يُنجز شغل إذا كانت القوة عمودية على اتجاه الإزاحة.
• لا يُنجز شغل أيضًا إذا لم يتحرك الجسم (أي الإزاحة = صفر).

ثانيًا: الشغل بالمعنى الرياضي

تعريف:
الشغل هو حاصل الضرب القياسي بين متجه القوة F ومتجه الإزاحة x، ويُحسب وفقًا للعلاقة:

W = F × x × cos(θ)

حيث:

• W: الشغل
• F: مقدار القوة
• x: مقدار الإزاحة
• θ: الزاوية بين اتجاه القوة واتجاه الإزاحة

وحدة قياس الشغل

• وحدة الشغل: جول (Joule)
• وحدة القوة: نيوتن (N)
• وحدة الإزاحة: متر (m)

ملاحظات مهمة عن الشغل

1. إذا كانت القوة والإزاحة في نفس الاتجاه:
   • الزاوية θ = 0
   • cos(0) = 1
   • الشغل موجب (W > 0)
2. إذا كانت القوة والإزاحة في اتجاهين متعاكسين:
   • الزاوية θ = 180
   • cos(180) = -1
   • الشغل سالب (W < 0)
3. إذا كانت القوة عمودية على الإزاحة:
   • الزاوية θ = 90
   • cos(90) = 0
   • الشغل = صفر
4. إذا لم يتحرك الجسم:
   • الإزاحة = 0
   • الشغل = صفر

أمثلة محلولة على الشغل

المثال الأول:

رجل يسحب مكنسة كهربائية بقوة مقدارها 50 نيوتن وبزاوية 30° مع الأفق، والإزاحة 3 متر. احسب الشغل المنجز.

المعطيات:

• F = 50 N
• θ = 30°
• x = 3 m
• cos(30) = 0.866

الحل:

W = 50 × 3 × 0.866 = 129.9 جول

المثال الثاني:

رافع أثقال يرفع ثقلًا مقداره 710 نيوتن لمسافة 0.65 متر للأعلى ثم يُنزله بنفس المسافة. احسب الشغل في حالتي الرفع والخفض.

• حالة الرفع:
  • θ = 0 → cos(0) = 1
  • W = 710 × 0.65 × 1 = 461.5 جول (موجب)
• حالة الخفض:
  • θ = 180 → cos(180) = -1
  • W = 710 × 0.65 × -1 = -461.5 جول (سالب)

المثال الثالث:

شخص يسحب صندوقًا بسرعة ثابتة على سطح خشن بقوة شد مائلة بزاوية 37°، والإزاحة 5 متر، وقوة الاحتكاك 20 نيوتن. احسب:

1. قوة الشد F
2. الشغل المبذول بواسطة قوة الشد

المعطيات:

• x = 5 m
• θ = 37°
• cos(37) = 0.8 (تقريبًا)
• F_k = 20 N
• السرعة ثابتة ⇒ القوة الأفقية = قوة الاحتكاك

الحل:

1. F × cos(37) = F_k
   ⇒ F = 20 / 0.8 = 25 N
2. W = F × x × cos(θ)
   ⇒ W = 25 × 5 × 0.8 = 100 جول

أسئلة توضيحية هامة

السؤال 1:
شخص يمشي أفقيًا ويحمل صندوقًا. هل ينجز شغلًا؟
الجواب: لا، لأن اتجاه القوة عمودي على الإزاحة ⇒ الشغل = 0.

السؤال 2:
شخص يدفع جدارًا لكنه لا يتحرك. ما مقدار الشغل؟
الجواب: الشغل = 0 لأن الإزاحة = 0.

تلخيص الملاحظات والقوانين

• الشغل موجب إذا كانت القوة والإزاحة بنفس الاتجاه (θ = 0).
• الشغل سالب إذا كانت القوة والإزاحة بعكس الاتجاه (θ = 180).
• الشغل = صفر إذا كانت:
  • القوة عمودية على الإزاحة (θ = 90).
  • أو الإزاحة = 0.
• قانون الشغل الرياضي:
  

  W = F × x × cos(θ)