الدرس الأول: الشغل والطاقة

يرتبط الشغل بالطاقة ارتباطاً وثيقاً، فالشغل هو القوة المبذولة لتحريك جسم ما مسافة معينة، ويقاس بوحدة الجول. أما الطاقة فهي المقدرة على إنجاز شغل. للطاقة أشكال متعددة كطاقة الوضع وطاقة الحركة، وتتحول الطاقة من شكل إلى آخر دون أن تفنى أو تستحدث، وهو ما يعرف بقانون حفظ الطاقة. مثال على ذلك: عندما ترفع صندوقاً عن الأرض إلى رف مرتفع، فإنك تبذل شغلاً عليه، ويكتسب الصندوق طاقة وضع، وعند إسقاطه يتحول جزء من طاقة الوضع إلى طاقة حركة.

الفكرة الأساسية

الشغل هو ما تبذله لتحريك الأجسام، والطاقة هي المقدرة على إنجاز هذا الشغل، وهما مترابطان وتتحول الطاقة بين أشكالها المختلفة دون أن تضيع.

الشرح

الشغل هو القوة المبذولة لتحريك جسم ما مسافة معينة في اتجاه القوة. إذا أثرت قوة ثابتة في جسم وتحرك مسافة بتأثيرها، فأنت قد أنجزت شغلاً. تحسب الشغل بالعلاقة: الشغل يساوي القوة مضروبة في المسافة المقطوعة في اتجاه القوة. تقاس القوة بالنيوتن والمسافة بالمتر، ويسمى حاصل ضرب نيوتن في متر بالجول، وهي وحدة قياس كل من الشغل والطاقة.

الطاقة هي المقدرة على إنجاز شغل. للأجسام طاقة مخزنة تسمى طاقة الوضع، مثل ضغط النابرب (الزنبرك). وتتحول طاقة الوضع إلى طاقة حركة عند إفلاته، وهي الطاقة الناتجة عن حركة الجسم. هناك أشكال أخرى للطاقة مثل الطاقة الحرارية والكهربائية والصوتية والكيميائية والنووية والمغناطيسية.

تنص قاعدة قانون حفظ الطاقة على أن الطاقة لا تفنى ولا تستحدث من العدم، ولكنها تتحول من شكل إلى آخر. فعند سقوط كرة من ارتفاع ما، تفقد طاقة وضع تدريجياً وتكتسب طاقة حركية، وأحياناً تتحول بعض طاقة الحركة إلى طاقة حرارية بسبب الاحتكاك.

مثال محلول خطوة بغطوة

حمل مصعد كهربائي كتلة وزنها $200$ نيوتن مسافة $10$ متر، وبذل شغلاً ضد قوة الاحتكاك قدره $1000$ جول. ما مقدار الشغل الذي ينجزه المصعد؟ الخطوة الأولى: نحدد المعطيات، القوة تساوي $200$ نيوتن، والمسافة تساوي $10$ متر. الخطوة الثانية: نطبق قانون الشغل، وهو الشغل يساوي القوة مضروبة في المسافة. الخطوة الثالثة: نضرب القوة في المسافة، أي $200$ ضرب $10$ يساوي $2000$ نيوتن متر أو $2000$ جول.

أخطاء شائعة

الاعتقاد بأن كل عمل متعب يعد شغلاً، مثل الإمساك بثقل في مكان مرتفع دون تحريكه، بينما في الفيزياء لا يعد ذلك شغلاً لعدم وجود مسافة حركية. عدم انتباه الطلاب إلى أن الاحتكاك يبذل شغلاً معاكساً يتطلب قوة أكبر للتغلب عليه.

سؤالان للتدريب مع الإجابة

السؤال الأول: ما وحدة قياس الشغل والطاقة في النظام الدولي؟ الإجابة: الجول (أو نيوتن متر). السؤال الثاني: متى تتحول طاقة الوضع إلى طاقة حركة؟ الإجابة: عندما يتحرك الجسم الساكن المخزن للطاقة، مثل سقوط كرة من ارتفاع معتدل أو إفلات نابض مضغوط.