الدرس ٣: الشغل والآلات البسيطة (١)
انظر إلى أعلى الصفحة لتعرف أهدافنا: سنتعلم مقصود الشغل، ونميز بين الآلات، ونفع كيف تقلل الجهد. في الفيزياء، لا تحسب كل عمل شق شغلاً. انظر الشكل 18: الولد يرفع الصندوق إلى أعلى، إذن هو يؤثر بقوة في اتجاه حركة الصندوق للأعلى، وهذا شغل مبذول. أما لو تحرك الشاب للأمام وذراعاه تحملان الصندوق، فذراعاه تؤثران بقوة للأعلى بينما الحركة أفقية للأمام، هنا لا يتحقق شرط الشغل لأن اتجاه القوة لا يطابق اتجاه الحركة. انظر إلى الجدار: إن ضغطت عليه بقوة ولا يتحرك، فليس هناك شغل لأن المسافة صفر.
يرتكز الدرس على مفهوم الشغل، وهو ما يحدث عندما تؤثر قوة في جسم لتحركه في اتجاهها، ويُحسب بضرب القوة في المسافة عبر المعادلة ش = ق × ف. أما الآلات البسيطة فهي أدوات تسهل العمل عبر تغيير مقدار القوة أو اتجاهها أو كليهما، وتنقسم إلى ستة أنواع رئيسية: الروافع، والبكرات، والعجلة والمحور، والسطح المائل، والإسفين، والبرغي. حين تدفع صندوقا لمسافة عشرة أمتار بقوة معينة، فأنت تبذل شغلا مقداره حاصل ضرب هاتين القيمتين، وحين تستخدم مفتاح علب لفتح علبة، فأنت تستخدم آلة بسيطة تضاعف القوة لتنجز العمل بسهولة.
الفكرة الأساسية
الشغل في الفيزياء يتحقق فقط عندما تؤثر قوة في جسم وتجعله يتحرك في نفس اتجاه تلك القوة. ولتسهيل إنجاز الأعمال وبذل جهد أقل، ابتكر الإنسان الآلات البسيطة التي تغير مقدار القوة أو اتجاهها.
الشرح
لنفترض أنك تدفع صندوقا على الأرض؛ لكي نقول إنك بذلت شغلا يجب أن يتحرك الصندوق في اتجاه القوة التي تؤثر بها، فلو دفعت جدارا ثابتا فلن يتحرك ولن تبذل شغلا بمعناه الفيزيائي. نحسب الشغل بقانون رياضي مباشر يربط بين القوة والمسافة، وهو: الشغل يساوي القوة مضروبة في المسافة، ويمكن كتابته بالرموز: . وحدة قياس الشغل هي الجول. الآلات البسيطة هي أدوات تسهل أداء العمل، وتعمل على تغيير مقدار القوة، أو تغيير اتجاه القوة، أو كليهما معا. ونسبة القوة الناتجة إلى القوة المبذولة تسمى الفائدة الآلية، وحسابها يتم بقسمة القوة الناتجة على القوة المبذولة. من أمثلة هذه الآلات البسيطة: الروافع وتنقسم إلى ثلاثة أنواع حسب موضع نقطة الارتكاز والقوة المبذولة والقوة الناتجة، والبكرات التي تغير اتجاه القوة أو تقلل القوة اللازمة، والعجلة والمحور مثل مقبض الباب، والسطح المائل مثل الطرق المتعرجة في الجبال، والإسفين مثل السكاكين وأسنان الحيوانات، والبرغي الذي يحول الحركة الدورانية إلى حركة مستقيمة.
مثال محلول خطوة بخطوة
إذا دفعت عربة حاسوب مسافة عشرة أمطار بقوة أفقية مقدارها خمسون نيوتنا، فما مقدار الشغل الذي تبذله؟ الخطوة الأولى تحديد المعطيات من السؤال: المسافة تساوي عشرة أمتار، والقوة تساوي خمسون نيوتنا. الخطوة الثانية تحديد المطلوب: حساب مقدار الشغل . الخطوة الثالثة كتابة المعادلة والتعويض: إذن . الخطوة الرابعة إيجاد الناتج مع الوحدات: .
أخطاء شائعة
الاعتقاد بأن مجرد الشعور بالتعب والإمساك بشيء بقوة يعني بذل شغل، بينما الشرط الأساسي هو حدوث حركة فعلية للجسم في اتجاه القوة المؤثرة. خطأ آخر هو الخلط بين وحدات القياس، كأن تنسى أن القوة تقاس بالنيوتن والمسافة بالمتر والشغل بالجول.
سؤالان للتدريب مع الإجابة
السؤال الأول: ما مقدار الشغل الذي يبذله متسابق أولمبي أثناء ركضه مسافة مئتي متر بقوة ستة نيوتن؟ الإجابة: نضرب القوة في المسافة، أي فيكون الناتج 1200 جول. السؤال الثاني: احسب القوة المؤثرة اللازمة لرفع حجر وزنه 2500 نيوتن باستخدام نظام بكرات فائدته الآلية تساوي 10. الإجابة: بما أن الفائدة الآلية تساوي القوة الناتجة مقسومة على القوة المبذولة، إذن القوة المبذولة تساوي 2500 مقسومة على 10، وتساوي 250 نيوتنا.