ما المقصود بالشغل – Work؟
نحن نستخدم مصطلحات مثل العاملين فوق طاقتهم (overworked)، والعمل أو الشغل الجاد (hard workers)، لوصف الجهد الذي يبذله شخص ما، ولكن ما معنى الشغل وكيف نحدده كمياً؟ يختلف التعريف العلمي للشغل في بعض النواحي عن معناه اليومي، بعض الأشياء التي نفكر فيها على أنّها عمل شاق، مثل كتابة امتحان أو حمل شيء ثقيل على أرض مستوية، لا تعني أنّك أحدثت شغل على النحو المحدد من قبل العلماء، يكشف التعريف العلمي للعمل عن علاقته بالطاقة، كلما حدث الشغل، يتم نقل الطاقة.
تعريف الشغل:
يختلف التعريف العلمي للشغل في نواحٍ كثيرة عن معناه اليومي، يكشف تعريف الشغل أو العمل في الفيزياء عن علاقته بالطاقة، كلما حدث الشغل، يتم نقل الطاقة، وأيضًا، الطاقة هي القدرة على العمل أو أداء الشغل، من أجل القيام بعمل ما، بالمعنى العلمي، يجب بذل قوة ويجب أن يكون هناك إزاحة في اتجاه القوة، مع هذا، يمكننا أن نعرّف الشغل على أنّ:
“الشغل: هو حاصل ضرب مكون القوة في اتجاه الإزاحة ومقدار هذه الإزاحة”.
معادلة الشغل:
رياضيًا، يتم التعبير عن تعريف الشغل أعلاه على النحو التالي:
W = (F cos θ) d = F. d
حيث:
W – هو الشغل الذي تقوم به القوة.
F – هي القوة المؤثرة.
d – هي الإزاحة التي تسببها القوة.
θ – هي الزاوية بين متجه القوة ومتجه الإزاحة.
بُعد الشغل هو نفسه بُعد الطاقة ويُعطى كـالتالي: (ML2T–2).
الشغل المبذول على نظام بقوة ثابتة هو ناتج مكون القوة في اتجاه الحركة مضروبًا في المسافة التي تعمل من خلالها القوة، بالنسبة للحركة أحادية الاتجاه في بُعد واحد، يتم التعبير عن ذلك في شكل معادلة كـالتالي: (W = Fd cos θ)، يجب أن تكون هناك حركة ليحدث الشغل، ويجب أن يكون هناك عنصر من القوة في اتجاه الحركة.
وحدة الشغل:
الشغل والطاقة لهما نفس الوحدات، من تعريف الشغل، نرى أنّ هذه الوحدات هي القوة مضروبة في المسافة، وحدة الشغل في النظام الدولي للوحدات هي الجول (joule) ورمزها (J)، والتي تُعرَّف على أنّها الشغل الذي تقوم به قوة مقدارها (1) نيوتن لتحريك جسم خلال مسافة متر واحد في اتجاه القوة.
“الجول: هو وحدة الشغل والطاقة في النظام الدولي للوحدات، والذي يساوي نيوتن لكل متر”.
يمكن حساب الشغل المنجز على الوزن مقابل الجاذبية على النحو التالي:
Work Done = (Mass × acceleration due to gravity) × Displacement
ما هي العوامل المؤثرة على حدوث الشغل؟
العوامل التي يعتمد عليها الشغل الذي يتم إجراؤه على جسم بواسطة قوة ما، هي كالتالي:
القوة – Force:
تُعرَّف القوة بأنّها دفع أو شد يمكن أن يتسبب أي جسم له كتلة في تغيير سرعته وتسارعه، القوة هي كمية متجهة ولها مقدار واتجاه، إذا كانت القوة المؤثرة على جسم ما صفراً بغض النظر عن حالة الجسم “ديناميكي متحرك أو ثابت” فإنّ الشغل الذي تقوم به القوة هو صفر.
الإزاحة – Displacement:
الإزاحة هي كمية متجهة تعطي أقصر مسافة بين الموضع الأولي والموضع النهائي لأي جسم، إذا كانت الإزاحة الناتجة في اتجاه القوة، بسبب القوة المؤثرة على أي جسم تساوي صفرًا، فإنّ صافي الشغل الذي تقوم به تلك القوة على هذا الجسم هو صفر، على سبيل المثال، إذا دفعنا جدارًا صلبًا بكل قوتنا وما زلنا نفشل في إزاحته، فيمكننا القول إنّه لم يتم تنفيذ أي شغل من قبلنا على الحائط.
الزاوية بين متجه القوة ومتجه الإزاحة:
يمكن أن يكون الشغل الذي تقوم به قوة على جسم موجبًا أو سالبًا أو صفرًا، اعتمادًا على اتجاه إزاحة الجسم بالنسبة إلى القوة، بالنسبة لجسم يتحرك في الاتجاه المعاكس لاتجاه القوة، مثل تأثير الاحتكاك على جسم يتحرك في الاتجاه الأمامي، يحدث الشغل بسبب قوة الاحتكاك السالبة.
وبالمثل، فإنّ الجسم يواجه قوة صفرية عندما تكون زاوية الإزاحة متعامدة على اتجاه القوة، افترض مثالًا لرجل يرفع كتلة على رأسه تتحرك بزاوية (90) درجة بالنسبة لقوة الجاذبية، هنا، الشغل المبذول بواسطة الجاذبية على الجسم يساوي صفرًا، وبالتالي نستنتج أنّ الشغل المبذول بواسطة القوة يساوي صفرًا إذا كانت الإزاحة إمّا صفرًا أو متعامدة مع القوة، يكون الشغل المنجز موجبًا إذا كان للقوة والإزاحة نفس الاتجاه، وسالبًا إذا كان لهما الاتجاه المعاكس.
