ما هي وحدة قياس الشغل؟، سؤال مهم في الفيزياء، فالشغل الميكانيكي يعني حركة الجسم لمسافة بسبب تأثير قوة خارجية عليه، وفي هذا المقال سنتحدث بالتفصيل عن الشغل العمل، وسوف نشرح ما هي وحدة القياس المستخدمة للتعبير عن العمل.
ما هو العمل الميكانيكي
الشغل هو مقياس لكمية الطاقة التي تحدث عندما يتحرك جسم ما عبر مسافة بفعل قوة خارجية، حيث يتم تطبيق جزء من القوة في نفس اتجاه إزاحة الجسم، وإذا كانت القوة ثابتة، يتم الشغل الميكانيكي يمكن حسابه عن طريق ضرب طول المسار في مقدار القوة المؤثرة على طول المسار، وكل هذا يحدث بسبب انتقال الطاقة من القوة الخارجية المؤثرة على الجسم، إلى الجسم على شكل حركة، و فلا يمكن القول بوجود شغل إلا إذا تحرك الجسم مسافة معينة من موضعه الأصلي، على سبيل المثال عند تصادم صندوق بقوة معينة وتحريك هذا الصندوق مسافة معينة من موضعه الأصلي، فهذا يعني وجود شغل، أما إذا كان الشغل موجودًا، يتأثر الصندوق بقوة معينة ولا يتحرك الصندوق ولا يتحرك بل يعود إلى وضعه الأصلي، فلا يوجد شغل مبذول، إذ أن الشغل الميكانيكي يعبر عن تغير مكاني للجسم بسبب القوة، وباختصار نستطيع نقول أن العمل الميكانيكي يعتمد على ما يلي:
- قوة: إنها القوة الخارجية المؤثرة على الجسم.
- الإزاحة: هي المسافة التي يتحركها الجسم من موضعه الأصلي.
أنواع الأعمال الميكانيكية
في الواقع، هناك ثلاث حالات فيزيائية رئيسية للعمل الميكانيكي:
العمل الميكانيكي الإيجابي
حيث يحدث الشغل الميكانيكي الموجب عندما يتحرك الجسم في نفس اتجاه القوة الخارجية المؤثرة على الجسم، ويقال في هذه الحالة أن الشغل الميكانيكي قد تم، ومن أمثلة الشغل الموجب ما يلي:
- عند شد الزنبرك، يكون الشغل الذي تبذله قوة التمدد موجبًا، حيث تؤثر القوة في نفس اتجاه إزاحة الزنبرك.
- عندما يسقط جسم بحرية تحت تأثير الجاذبية، يكون الشغل الذي تبذله الجاذبية موجبًا، حيث أن إزاحة الجسم تكون في نفس اتجاه الجاذبية.
- عندما يتمدد الغاز داخل أسطوانة، يكون الشغل الذي تبذله القوة موجبًا، لأن الإزاحة تكون في نفس اتجاه القوة.
العمل الميكانيكي السلبي
يحدث العمل الميكانيكي السلبي عندما يتحرك الجسم عكس اتجاه القوة الخارجية المؤثرة عليه. ومن أمثلة العمل السلبي ما يلي:
- الشغل المبذول ضد الاحتكاك يكون سالبًا، لأن قوة الاحتكاك تكون دائمًا في الاتجاه المعاكس للإزاحة.
- الشغل المبذول لرفع الجسم يكون سالبًا، لأن قوة الجاذبية والإزاحة تكونان في الاتجاه المعاكس.
العمل الميكانيكي صفر
حيث يحدث صفر شغل ميكانيكي عندما تكون الزاوية بين القوة والإزاحة 90 درجة، وفي هذه الحالة لا يتم القيام بأي شغل ميكانيكي. تتضمن أمثلة العمل الصفري ما يلي:
- الشغل الذي تبذله القوة الجاذبة المركزية المؤثرة على جسم يتحرك في دائرة بسرعة منتظمة يساوي صفرًا، لأن الزاوية بين قوة الجاذبية وحركة الجسم تساوي 90 درجة.
- الشخص الذي يحمل جسماً معيناً ويمشي على طريق أفقي لا يبذل شغلاً ويكون شغله صفراً، لأن الزاوية بين قوة الرفع والحركة 90 درجة.
ما هي وحدة قياس الشغل؟
الوحدة القياسية المستخدمة لقياس العمل الميكانيكي المنجز في الفيزياء هي جولوالتي يُرمز لها في المعادلات الفيزيائية بالرمز J، حيث الجول هو كمية الطاقة المنقولة عند تطبيق قوة مقدارها 1 نيوتن على جسم ما، ويتحرك هذا الجسم مسافة 1 متر، وهي في الواقع وحدة الطاقة هي نفس وحدة الشغل في الفيزياء، لأن الشغل الميكانيكي يعتبر طاقة، ووحدة الجول لقياس الشغل الميكانيكي تساوي نيوتن لكل متر في النظام الدولي لوحدات القياس، وبالتالي فإن الشغل الميكانيكي يساوي القوة التأثير على الشغل مضروبًا في الإزاحة، ولا يمكن كتابة قوانين الشغل الميكانيكي على الحركة الأفقية إلا بهذه الطريقة:
الشغل = القوة × الإزاحة
u = sxq
بينما:
- ق → العمل: هو مقدار الشغل المبذول تحت تأثير القوة، ووحداته هي الجول.
- ق → القوة: هي القوة الخارجية المؤثرة على الجسم ووحدتها نيوتن.
- ف → إزاحة: هو مقدار إزاحة الجسم من موضعه الأصلي ووحدتها هي المتر.
أما إذا كان الجسم مائلاً عن سطح الأرض وكانت هناك زاوية بين القوة والإزاحة فإن القانون يكون كما يلي:
الشغل = القوة × الإزاحة × جتا الزاوية
u = sxqx cos∅
بينما:
- ق → العمل: هو مقدار الشغل المبذول تحت تأثير القوة، ووحداته هي الجول.
- ق → القوة: هي القوة الخارجية المؤثرة على الجسم ووحدتها نيوتن.
- ف → إزاحة: هو مقدار إزاحة الجسم من موضعه الأصلي ووحدتها هي المتر.
- cos∅ ← cos الزاوية: وهو جيب تمام الزاوية المحصورة بين اتجاه القوة واتجاه الإزاحة.
أمثلة على الأعمال الميكانيكية
هناك أمثلة كثيرة على الشغل الميكانيكي، منها على سبيل المثال الشغل في حركة أفقية، حيث إذا أثرت قوة مقدارها 40 نيوتن على صندوق، وتحرك هذا الصندوق مسافة 2 متر من موضعه الأصلي، فإن الشغل الميكانيكي يساوي :
الشغل = القوة × الإزاحة
u = sxq
U = 40 نيوتن × 2 متر
ش = 80 نانومتر
ش = 80 جول
إذن، الشغل الميكانيكي المبذول على الصندوق يساوي 80 جول.
من الممكن أيضًا حساب الشغل المبذول على سطح مائل من خلال قوانين العمل الفيزيائية. على سبيل المثال، إذا أثرت قوة مقدارها 63 نيوتن على جسم، في اتجاه يصنع زاوية قياسها 60 درجة مع المستوى الأفقي، وكانت إزاحة الجسم من موضعه الأصلي تساوي 3 أمتار، فإن الشغل المنجز يساوي:
الشغل = القوة × الإزاحة × جتا الزاوية
u = sxqx cos∅
ش = 63 نيوتن × 3 متر × كوس 60
بما أن cos الزاوية 60 يساوي 0.5، فإن الحل هو:
ش = 63 ن × 3 م × 0.5
ش = 94.5 نيوتن متر
ش = 94.5 جول
إذن، الشغل الميكانيكي المبذول على الجسم يساوي 94.5 جول.
وفي نهاية هذا المقال عرفنا أن وحدة قياس الشغل هي الجول، كما أوضحنا معنى مفهوم الشغل الميكانيكي في الفيزياء، وذكرنا جميع أنواع الشغل وحالاتها الفيزيائية، وذكرنا بعض الأمثلة على العمل على سطح أفقي وسطح مائل مع الحل في خطوات تفصيلية.