وحدة الشغل والطاقة علوم الصف التاسع
الشغل والآلات
تسهل الآلات إنجاز المهام وتقلل الوقت الذي تستغرقه وذلك بتغيير القوة اللازمة لإنجازها.
الربط مع الحياة اليومية متى كانت آخر مرة ركبت فييا دراجة ؟ تخيل أنك تقطع عدها أو سيرا على الأقدام. المسافة التي قطعتها بالدراجة. لكان ذلك استغرق منك جهذا أكبر ووقتا أطول بالتأكيد: فالدراجة آلة تساعدك في قطع المسافات في وقت أقصر من الوقت الذي يستغرقه قطعها سيرا على الأقدام.
تعريف الشغل
عندما ترد كلمة الشغل يتبادر إلى الأذهان المهام التي تنجز لكسب العيش. وفي هذا السياق. قد يكون الشغل أي شىء. بداية من إصلاح السيارات إلى تصميم الموافع الإلكترونية. وقد تدل كلمة الشغل أيضا على المجهود العضلي. أما في العلوم. فتستخدم كلمة الشغل بطريقة مختلفة.
الحركة والشغل اضغط على سطح مكتبك بأقصى قوتك. هل بذلت شغلا على المكتب؟ كلا: مهما كان المجهود الذي بذلته. ففي العلوم. الشغل هو تأثير قوة في جسم على مدى مسافة. إذا ضغطت على الكتب ولم
يتحرك. فمعنى ذلك أنك لم تبذل أي شغل على الكتب لأنه لم يتحرك.
القوة واتجاه الحركة تخيل أنك تدفع آلة جز العشب. كما يوضح الشكل 1. تستطيع أن تدفع الآلة في العديد من الاتجاهات المختلفة؛ فيمكنك أن تدفعها أفقيا. كما يمكنك أن تضغط عليها إلى أسفل أو بزاوية. تخيل اختلاف حركة الآلة في كل مرة. فاتجاه القوة التي تؤثر بها في آلة جز العشب. يغير في مقدار الشغل المبذول عليها.
القوة المتعامدة على الحركة عندما تحمل كتبا وتسير بسرعة متجهة ثابتة. قد تظن أن ذراعيك يبذلان شغلا على هذه الكتب. بالشغل. فأنت تؤثر في الكنب بقوة تمكنك من حملها ونقلها معك. حتى إن ذراعيك قد يؤلمانك. لكن الواقع غير ذلك، إذ إن قيمة الشغل الذي يبذله ذراعاك على الكتب في هذه الحالة يساوي صفرا. ذلك لأن الزاوية بين اتجاه حركة الكتب والقوة المبذولة عليها تساوي 900. وعندما تكون القوة متعامدة على الحركة. يساوي الشغل الناتج عن هذه القوة صفرا.
التأكد من فهم النص صف الشغل المبذول على جسم. في حال كانت القوة المؤثرة في الجسم متعامدة على اتجاه الحركة.
الاتجاهات الأخرى إذا كانت القوة المؤثرة في جسم موازية لحركة هذا الجسم، فإن الشغل الناتج عن هذه القوة يساوي مقدار القوة مضروبا في المسافة. وإذا كانت القوة المؤثرة في جسم متعامدة على حركة هذا الجسم.
فإن الشغل الناتج عن هذه القوة يساوي صفرا فما قيمة الشغل المبذول إذا كانت القوة غير موازية أو غير متعامدة على اتجاه الحركة ؟ بالنسبة إلى جميع هذه الاتجاهات الأخرى. بكون الشغل المبذول أقل من ناتج ضرب القوة في المسافة وأكبر من الصفر. ويوضح الشكل 2 رسما بيانيا لتأثير اتجاه القوة نسبة إلى اتجاه الحركة في الشغل.
متى يبذل شغل ؟ تخيل أنك تدفع كتابا لمجرد إطلاق حركته. فينزلق على الطاولة مسافة 1 قبل أن يتوقف. يجب الانتباه إلى مقدار المسافة التي تستخدمها في معادلة حساب الشغل: فهي المسافة التي يقطعها الجسم طالما القوة نؤثر فيه. في هذه الحالة. بالرغم من أن الكتاب قد قطع مسافة إجمالية مقدارها 1. لا يعتبر أنك بذلت شغلا على الكتاب إلا في أثناء لمسه إذا أنت لا تبذل شغلا على الجسم. إلا عندما تؤثر بقوة فيه. في الشكل 3. يبذل اللاعب شغلا على الكرة. فقط عندما تكون تحت تأثير يده.
ما فائدة الآلات؟ ما فائدة الآلات إذا كان الشغل الناتج عنها أقل ذاتها من الشغل المبذول عليها ؟ تغير الآلات من الطريقة التي يبذل بها الشغل. إذ يمكنها زيادة السرعة أو زيادة مقدار القوة أو تغيير اتجاه هذه القوة.
زيادة السرعة إن الدراجات من الآلات التي تزيد السرعة. فيمكن للشخص أن ينتقل بالدراجة بسرعة أكبر من التي ينتقل بها سيؤا على الأقدام. ولكي تزيد الدراجة من السرعة. فإنها تقلل مقدار القوة المؤثرة فيها. انظر إلى الدراج الذي يركب الدراجة صعودا إلى التل في الجزء العلوي من الشكل 5. يمكنه أن يصل إلى قمة التل أسرع بكثير مما لو كان سائرا على قدميه. لكن مقدار القوة التي عليه أن يؤثر بها على الدواسات ليصعد هذا التل أكبر من القوة التي كان عليه أن يؤئر بها على سطح الأرض لو كان سائرا على قدمه.
تغيير اتجاه القوة تغير بعض الآلات اتجاه القوة المؤثرة. وتصل الفأس الذي يأخذ شكل الوتد في الشكل 5 أحد الأمثلة على ذلك النوع من الآلات. فأنت تبذل قوة متجهة للأسفل كي تقطع الخشب. ويغير النصل هذه
القوة المتجهة إلى الأسفل إلى قوى متجهة إلى الخارج تؤدي إلى قطع الخشب.
زيادة القوة يزبد مرفاع السيارة مثل الموضح في الجزء السفلي من الشكل 5، مقدار القوة لكنه يقلل السرعة فالقوة المتجهة إلى الأعلى المؤثرة في السيارة أكبر من القوة المتجهة إلى الأسفل التي يؤثر بها الرجل في المقبض. لكن السرعة التي يحرك بها المقبض أكبر من السرعة التي يرفع بها السيارة.
يمكننا أن تصف فعالية الآلة في زيادة القوة من خلال الفائدة الميكانكية للآلة. إن الفائدة الميكانيكية هي نسبة القوة الناتجة إلى القوة المؤثرة.
طاقة الوضع لا ينطوي مفهوم الطاقة دائما على حدوث حركة. فحتى الأجسام التي لا تتحرك. يمكن أن يكون لها طاقة. في هذه الحالة. تعرف باسم طاقة الوضع وهي الطاقة المخزنة بسبب التفاعلات بين الاجسام. ومن الامثلة على طاقة الوضع، الطاقة المخزنة بين تفاحة معلقة على شجرة وبين الارض. تخزن تلك الطاقة بين التفاحة والأرض بسبب قوة التجاذب بينهما. من الأمثلة الأخرى على طاقة الوضع. الطاقة المخرنة بين الأجسام التي تتصل بعضها ببعض بنابض مضغوط أو شريط مطاطي مشدود.
طاقة الوضع المرونية إذا شددت شريطا مطاطيا ثم أفلته من يدك. فإنه ينطلق عبر أنحاء الغرفة. وطوال انتقاله في الهواء، يكون له طاقة حركية تنتج عن حركته. فما مصدر هذه الطاقة الحركية ؟ كما تنتج طاقة الوضع عن القوى الجذبية.
تنتج كذلك عن القوى المرونية بين الجسيمات التي يتألف منها شريط مطاطي مشدود. وتعرف الطاقة المخرنة في الشريط المطاطي المشدود أو النابض المضغوط باسم طاقة الوضع المرونية وهي الطاقة المخرنة من خلال انضغاط جسم ما أو شده.
طاقة الوضع الكيميائية يحتوي الطعام الذي نتناوله وكذلك الجازولين الذي تستهلكه السيارات على طاقة مخرئة.
وتنتج هذه الطاقة المخرنة عن الروابط الكيميائية الموجودة بين الذرات. إذا. إن طاقة الوضع الكيميائية هي الطاقة التي تنتج عن الروابط الكيميائية. ويمكنك أن تلاحظ طاقة الوضع الكيميائية عندما تحرق إحدى المواد. فعندما يحترق جسم ما، تتحول طاقة الوضع الكيمبائية إلى طاقة حرارية وطاقة إشعاعبة. يوضح الشكل 8 عملية احتراق الميثان.
الأشكال المختلفة للطاقة
عندما تشغل المصباح الكهربائي. تضيء الغرفة التي كانت مظلمة. وعندما تدير مشغل الموسيقى المحمول، تسمع صوت الموسيقى يتدفق من السماعات. وفي كلتا الحالتين، يحدث تغير. تختلف تلك التغيرات عن بعضها كما تختلف عن التغير الناتج عن اصطدام مضرب التنس بالكرة في الشكل 6 لأن الطاقة لها أشكال مختلفة متعددة. ومنها الطاقة الميكانيكية والطافة الكهربائية والطاقة الكيميائية والطاقة الإشعاعية.
يبين الشكل 7 بعضا من مواقف الحياة اليومية التي يمكنك أن تلاحظ فيها وجود الطاقة تستخدم السياراث الطاقة الكيمائية للجازولين. يتطلب تشغيل العديد من الأجهزة المنزلية طاقة كهربائية. أما الطاقة الإشعاعية للشمس. فتبعث الدفء على الأرض. وهكذا يتضح لنا أن للطاقة دورا كبيزا في كل الأنشطة التي نقوم بها.