صفحة ١١٦
انظر إلى نظام الدراجة الهوائية: عندما تريد صعود تل، فأنت تحتاج إلى زيادة الفائدة الميكانيكية المثالية برفع قيمة عدد مسننات ناقل الحركة الخلفي مقسوماً على الأمامي، لتبذل قوة أقل بجهد أكبر في عدد دورات الدواسة. والعكس صحيح عند ركوب الدراجة على طريق مستوٍ؛ إذ تقلل الفائدة الميكانيكية لتجعل الدواسة تدور دورات أقل بجهد أكبر وقوة أقل للاستمرار بالسرعة نفسها. وانتقل معي الآن إلى آلة المشي البشرية الموضحة في الشكل 4-15؛ إذ يتكون جسم الإنسان من أجزاء تعمل عمل آلة بسيطة، وأجزاؤها الرئيسية أربعة: أولاً قضيب صلب يمثل العظام، وثانياً مصدر قوة يمثل انقباض العضلات، وثالثاً نقطة ارتكاز تمثل المفاصل المتحركة بين العظام، ورابعاً مقاومة تمثل وزن جزء الجسم أو الشيء المراد رفعه أو تحريكه. ونظام الرافعة في جسم الإنسان له كفاءة محدودة وفوائد ميكانيكية ليست عالية، وهذا يفسر حاجة الجسم الدائمة للطاقة وحرق السعرات الحرارية أثناء المشي أو العدو.
صفحة ١١٧
عندما يسير الإنسان، يتحرك وركه كأنه نقطة ارتكاز ليصنع قوساً دائرياً يتحرك مركزه حول مركز كتلة الجسم. انظر إلى طول الساق؛ فهو يمثل نصف قطر هذا القوس الدائري. ويسعى الرياضيون في سباقات المشي لزيادة سرعتهم عبر أرجحة الورك نحو الأعلى لزيادة نصف القطر. انظر إلى الفرق بين الشخص الطويل والقصير: أنظمة الرافعة للقصار ذات فائدة ميكانيكية أكبر، مما يجعل مشيهم أسرع مقارنة بالأطول، لكن الشخص الطويل يمتلك تأثيراً بقوة أكبر لتحريك الرافعة الطويلة المكونة من عظام الساق. وننتقل الآن إلى قسم المراجعة للدرس 4-2. في السؤال 29، حدد آلة بسيطة من الأداة المذكورة مثل المفكات أو الإزميل. في السؤال 30، استعمل قانون الفائدة الميكانيكية المثالية للحساب؛ فإذا كان العامل يؤثر بقوة رأسية إلى أسفل مقدارها ويحرك الحبل مسافة ليتحرك الجسم مسافة ، فاستخدم هذه المعطيات لحساب وزن الجسم الممكن رفعه. في السؤال 31، تعامل مع الآلات المركبة للونش مستخدماً ذراع نصف قطر دورانه وأسطوانة نصف قطرها مع ثلاث دورات للأسطوانة. في السؤالين 32 و33، فكر في أثر كفاءة الآلات وتغيير نواقل الحركة على القوة والتسارع.
صفحة ١١٨
انظر إلى نشاط مختبر الفيزياء المعنون بصعود السلم والقدرة. الهدف هنا هو توقع والعوامل التي تؤثر في القدرة، وحساب القدرة المتولدة، وإنشاء واستخدام رسوم بيانية لكل من الشغل والزمن، والقدرة والشغل، والقدرة والزمن. توخَّ الحذر واحذر من ارتداء ملابس فضفاضة لتجنب التعثر والسقوط على الدرج. اتبع الخطوات الأربع التالية: أولاً، قس كتلة كل شخص في مجموعتك باستخدام الميزان وسجلها بوحدة الكيلوجرام، مع العلم أن وحدة القياس بالباوند تعادل . ثانياً، قس المسافة الرأسية التي تقطعها مجموعة الدرجات من سطح الأرض إلى أعلى مجموعة السلم وسجل القيمة. ثالثاً، اطلب إلى كل شخص في مجموعتك صعود درجات السلم بالطريقة التي يعتقد أنها ستزيد خلالها القدرة المتولدة. رابعاً، استخدم ساعة الإيقاف لقياس الزمن الذي يحتاج إليه كل شخص لتنفيذ المهمة، وسجل بياناتك في جدول البيانات.
صفحة ١١٩
انظر الآن إلى جدول البيانات والتحليل المرفق لنتائج صعود السلم. في الخطوة الأولى، أوجد وزن كل شخص بوحدة النيوتن واكتبه في الجدول. في الخطوة الثانية، احسب الشغل المبذول من كل شخص بضرب القوة في المسافة الرأسية. في الخطوة الثالثة، احسب القدرة المتولدة بقسمة الشغل على الزمن المستغرق. في الخطوة الرابعة، أنشئ رسماً بيانياً باستخدام البيانات التي حسبتها لتصميم رسم بياني للشغل ضد الزمن، وارسم أفضل خط ممثل للنقاط، ثم كرر الرسم للقدرة والشغل، والقدرة والزمن. في قسم الاستنتج والتطبيق، أجب عما إذا كان معدل قدرة أفراد مجموعتك متساوياً ولماذا، وفسر سبب وجود علاقة بيانية واضحة ومحددة بين المتغيرات. في قسم الفيزياء في الحياة، ابحث عن أدوات منزلية لها معدل قدرة مساوٍ للقدرة التي أنتجتها عند صعود السلم، وافترض أن شركة الكهرباء تزودك بقدرة كهربائية تكلفتها ، فاحسب مقدار المال الذي ستكسبه عند صعود السلم لمدة ساعة واحدة.
صفحة ١٢٠
انظر إلى لوحة كيف تعمل الخاصة بمجموعات نواقل الحركة في الدراجة الهوائية. تبين الصورة كيف تستخدم المبدلات الأمامية والخلفية لتغيير توليفة نواقل الحركة أمامية وخلفية. انظر إلى المعادلة هنا: الفائدة الميكانيكية المثالية تساوي عدد مسننات ناقل الحركة الخلفي مقسوماً على عدد مسننات ناقل الحركة الأمامي. يوضح الشكل خطوات التعديل: عند رفع المبدل الأمامي الأيسر، تسحب الأسلام لنقل السلسلة عن مسننات ناقل الحركة، ويحركها إلى ناقل حركة آخر استجابة للشد أو الارتخاء في السلك. في المقابل، تستجيب مجموعة المبدل الخلفي لحركة رافعة المبدل الأيمن لتحدد موقع السلسلة على ناقل الحركة الخلفي. في قسم التفكير الناقد، احسب مقدار الفائدة الميكانيكية المثالية للدراجة الهوائية في الحالات الآتية: عندما يكون وضع السلسلة على ناقل حركة أمامي عدد مسنناته وعلى ناقل حركة خلفي عدد مسنناته ، ثم في الحالة الثانية عندما يكون عدد مسننات الأمامي والخلفي ، وطبق أي الحالتين تناسب التسابق على أرض مستوية وأيهما تناسب صعود تل شديد الانحدار.
صفحة ١٢١
انظر إلى دليل مراجعة الفصل الرابع، وتحديداً قسم الطاقة والشغل. المفاهيم الرئيسية تلخص أن الشغل هو انتقال الطاقة بطرائق ميكانيكية وفق المعادلة ، وللجسم المتحرك طاقة حركية تُحسب بالعلاقة KE = rac{1}{2} mv^2، والشغل المبذول على نظام يساوي التغير في طاقة النظام ، والشغل يساوي حاصل ضرب القوة المؤثرة في جسم ما في الإزاحة التي يتحركها الجسم في اتجاه القوة بوجود زاوية . ويمكن تحديد الشغل المبذول بحساب المساحة تحت المنحنى البياني للقوة والإزاحة. والقدرة هي معدل بذل الشغل، أي المعدل الذي تنتقل خلاله الطاقة، وتحسب بالقانون . أما في قسم الآلات، فالآلات لا تغير من الشغل المبذول بل تجعل المهمة أسهل عبر تغيير مقدار القوة اللازمة أو اتجاهها. والفائدة الميكانيكية هي نسبة المقاومة إلى القوة المسلطة وفق القانون . والفائدة الميكانيكية المثالية هي النسبة بين المسافات المقطوعة . وكفاءة الآلة هي نسبة الشغل الناتج إلى الشغل المبذول وفق القانون e = rac{W_o}{W_i} imes 100، وتكون الفائدة الميكانيكية لجميع الآلات على أرض الواقع أقل من الفائدة الميكانيكية المثالية.
صفحة ١٢٢
انظر إلى صفحة التقويم للفصل الرابع. في خريطة المفاهيم، كوِّن خريطة مفاهيم مستخدماً مصطلحات: القوة، الإزاحة، اتجاه الحركة، الشغل، التغير في الطاقة الحركية. في قسم إتقان المفاهيم، أجب عن الأسئلة من إلى التي تتناول وحدات قياس الشغل، ومعنى أن يبذل قمر صناعي يدور في مدار دائري شغلاً من عدمه، وحساب الشغل لمجموعة قوى، وتعريف الشغل والقدرة ووحدات الواط، والعلاقة بين الشغل المبذول والتغير في الطاقة. في قسم تطبيق المفاهيم، أجب عن الأسئلة من إلى ؛ فمثلاً في السؤال حدد أي الحالتين تتطلب بذل شغل أكبر: حمل حقيبة ظهر وزنها إلى أعلى تل ارتفاعه ، أو حمل حقيبة ظهر وزنها إلى أعلى تل ارتفاعه ولماذا. وفي السؤال ، ادرس حالة شخصين يصعدان الكتلة نفسها بنفس العدد من الدرجات بزمنين مختلفين لمعرفة أي الشخصين بذل شغلاً أكبر وأيهما أنتج قدرة أكثر.
