الشغل Work
إذا أثّرت قوّة ) F( في جسم وأحدثت له إزاحة اتّجاهها غير متعامد مع اتّجاه القوة؛ فإنّ هذه القوّة تكون قد
بذلت شغلاً Work على الجسم.
الشغل الذي تبذله قوّة ثابتة Work Done by a Constant Force
عندما تؤثّر قوّة خارجية ثابتة F في جسم وتحرّكه إزاحة d، فإنّ شغلها يُساوي ناتج الضرب القياسي
لمتّجه القوّة الثابتة المؤثّرة في متّجه الإزاحة، كما يأتي:
WF = F ∙ d
= F d cos θ
حيث (θ): الزاوية المحصورة بين اتّجاه القوّة واتّجاه الإزاحة،
( F cos θ ): مركّبة متّجه القوّة في اتّجاه الإزاحة التي تحرّكها الجسم تحت تأثير هذه القوّة
يُقاس الشغل بوحدة الجول ( joule (J ، ويُعرّف الجول بأنّه الشغل الذي تبذله قوّة مقدارها ( 1 N ) عندما تؤثّر
في جسم، وتحرّكه إزاحة مقدارها ( 1 m ) في اتّجاهها.
بناءً على معادلة حساب الشغل العامّة؛ يوجد الحالات الخاصّة الآتية:
الحالة الأولى: أن تكون القوّة الخارجية المؤثّرة في جسم في الاتّجاه نفسه لإزاحته، حيث الزاوية المحصورة بين اتّجاهيهما صفر، و(cos 0˚ = 1)،
وعندها تبذل القوّة شغلً موجبًا يُعطى مقداره بالعلاقة: WF = Fd .
الحالة الثانية: أن تكون القوّة الخارجية المؤثّرة بعكس اتّجاه الإزاحة، حيث الزاوية المحصورة بين اتّجاهيهما 180˚ ،
و(cos 180˚ = -1)
وعندها تبذل القوّة شغلاً سالبًا، يُعطى مقداره بالعلاقة: .WF = -Fd ومن الأمثلة على القوى التي تبذل شغلً سالبًا: قوّة الاحتكاك الحركي
وقوّة الجاذبية عند رفع جسم إلى أعلى.
الحالة الثالثة: أن تكون القوّة الخارجية المؤثّرة عمودية على اتّجاه الإزاحة، حيث الزاوية المحصورة بين اتّجاهيهما 90˚ ، و(cos 90˚ = 0)
وعندها لا تبذل القوّة شغلً. إذ لا توجد إزاحة في اتّجاه القوّة نفسهِ.
الشغل الذي تبذله عدّة قوى ثابتة Work Done by Many Constant Forces
إذا أردتُ حساب شغل عدّة قوى خارجية ثابتة تؤثّر في جسم؛ فإنّني أحسبُ الشغل الذي تبذله كلّ قوّة على انفراد، ثم أحسبُ الشغل
الكلّي المبذول ( WTotal ) بإيجاد ناتج الجمع الجبري لشغل القوى جميعها. كما يُمكنني حساب الشغل الكلّي المبذول بحساب شغل
القوّة المحصّلة المؤثّرة في الجسم.
حيث تُمثّل n عدد القوى المؤثّرة في الجسم. إذا كان الشغل الكلّي المبذول على جسم موجبًا فإنّه يتسارع
إذا كان الشغل الكلّي المبذول على جسم سالبًا فإنّه يتباطأ. وإذا كان الجسم يتحرك بسرعة منتظمة يكون
الشغل الكلي يساوي صفر.
الشغل الذي تبذله قوّة متغيّرة Work Done by a Varying Force
أستعملُ الطريقة البيانية في حساب الشغل؛ عندما تكون القوّة الخارجية المؤثّرة في جسم متغيّرة في أثناء إزاحته،
وأحسبُ شغل القوّة المتغيّرة بحساب المساحة المحصورة بين منحنى (القوّة- الإزاحة) ومحور الإزاحة حسب شكلها
الهندسي، أو بتطبيق علاقات رياضية مناسبة، أو بتقسيم المساحة المحصورة إلى عدّة مساحات ذات أشكال هندسية منتظمة،
ثم حساب مجموع هذه المساحات.
القدرةُ Power
الكمّية الفيزيائية التي يُمكن عن طريقها المفاضلة بين معدل بذل الشغل لآلات أو أجسام مختلفة.
تُعرف القدرة بأنّها: المعدّل الزمني للشغل المبذول، أي إنّها تساوي ناتج قسمة الشغل المبذول ( W) على الزمن المستغرق لبذله:
،
وحدة قياس القدرة هي ( J/s )، وتسمى الواط ( watt )
والواط ( watt (W حسب النظام الدولي للوحدات، يساوي قدرة آلة أو جهاز تبذل شغلً مقداره (1 J) خلال فترة زمنية مقدارها ( 1 s ).
تقاس القدرة غالبًا بوحدة الكيلوواط (kW) )؛ لأنّ الواط وحدة صغيرة لقياسها.
وعندما يتحرّك جسم بسرعة ثابتة ( v)؛ فيُمكن استعمال العلاقة الآتية لحساب قدرته المتوسّطة: