الشغل والآلات البسيطة
#
الدرس ٣: الشغل والآلات البسيطة
في هذا الدرس
الأهداف
- تعرف المقصود بالشغل.
- تميز بين أنواع مختلفة من الآلات البسيطة.
- توضح كيف تقلل الآلات البسيطة الجهد المبذول.
الأهمية
تسهل الآلات البسيطة الشغل المبذول.
مراجعة المفردات
نصف القطر: المسافة بين مركز الدائرة وأي نقطة على محيطها.
القوة: إما دفع أو سحب، وتقاس القوة بوحدة النيوتن في النظام الدولي للوحدات.
المفردات الجديدة
- الشغل.
- الآلة البسيطة.
- الآلة المركبة.
- الفائدة الآلية.
- المستوى المائل.
الشغل
تفسر قوانين نيوتن في الحركة كيف تغير القوى من حالة حركة الجسم، فأنت إذا أثرت بقوة في الصندوق، كما هو مبين في الشكل ١٨، فسوف يتحرك إلى أعلى.
فهل يعني ذلك أنك بذلت شغلًا على الصندوق؟ عندما تفكر في الشغل ربما يخطر إلى ذهنك الأعمال المنزلية اليومية.
أما في العلوم فإن تعريف الشغل أكثر تحديدًا؛ يبذل الشغل عندما تؤدي القوة المؤثرة في جسم إلى تحريك الجسم في اتجاه القوة المؤثرة نفسه.
الجهد لا يساوي الشغل دائمًا
إذا ضغطت على جدار فهل تبذل شغلًا؟
تذكر أنه لبذل شغل لا بد من توافر شرطين:
- أولًا: يجب أن تؤثر بقوة في الجسم.
- ثانيًا: يجب أن يتحرك الجسم في اتجاه القوة المؤثرة.
لذا، في حالة دفع الجدار، فليس هناك شغل مبذول.
تخيل نفسك ترفع الصندوق في الشكل ١٨، إن يديك تؤثران بقوة إلى أعلى لرفع الصندوق، ويتحرك الصندوق إلى أعلى في اتجاه القوة؛ لذا فأنت بذلك تبذل شغلًا.
ولكن إذا تحركت إلى الأمام وأنت تحمل الصندوق، فإنك سوف تبقى تشعر بأن ذراعيك تؤثران بقوة للأعلى على الصندوق، ولكن الصندوق يتحرك إلى الأمام. ولأن اتجاه الحركة ليس في اتجاه القوة المؤثرة من ذراعيك على الصندوق فإن ذراعيك لا تبذلان شغلًا.
الشكل ١٨
لا يبذل شغل فقط عندما يتحرك الجسم في اتجاه القوة المؤثرة فيه.
تعليق الصورة:
أنت تبذل شغلًا عند رفعك الصندوق إلى أعلى؛ لأن الصندوق يتحرك إلى أعلى.
وبالرغم من حركة الصندوق إلى الأمام فإن ذراعيك لا تبذلان شغلًا لأنهما تؤثران بقوة إلى أعلى.
حساب الشغل
لبذل شغل يجب أن تؤثر قوة ويتحرك الجسم في اتجاه القوة نفسها. وكلما كانت القوة أكبر زاد الشغل المبذول.
أي العملين يلزمه شغل أكبر: رفع الحجر من الأرض إلى ارتفاع خصرك، أم رفع مجموعة من الكتب من الأرض إلى الارتفاع نفسه؟
رغم تحرك الحجر ومجموعة الكتب المسافة نفسها، إلا أن القوة اللازمة لرفع الكتب أكبر؛ ولذلك يلزم بذل شغل أكبر.
ويمكن حساب الشغل باستخدام المعادلة التالية:
معادلة الشغل
الشغل = القوة × المسافة
ش = ق × ف
حيث:
- الشغل يقاس بالجول.
- القوة تقاس بالنيوتن.
- المسافة تقاس بالمتر.
والمسافة المقصودة هنا هي تلك التي يتحركها الجسم في اتجاه القوة.
تطبيق الرياضيات: حل معادلة بسيطة
رفع الأثقال
رفع رافع أثقال وزنًا مقداره ٥٠٠ نيوتن مسافة ٢ متر من الأرض إلى موقع أعلى من رأسه. احسب الشغل الذي بذله.
الحل
١. المعطيات
القوة: ق = ٥٠٠ نيوتن
المسافة: ف = ٢ م
٢. المطلوب
الشغل: ش = ؟ جول
٣. طريقة الحل
عوّض بالقيم المعلومة للقوة والمسافة في معادلة الشغل:
ش = ق × ف
ش = ٥٠٠ نيوتن × ٢ م
ش = ١٠٠٠ جول
٤. التحقق من الحل
اقسم الإجابة على المسافة، سوف تنتج القوة المعطاة.
مسائل تدريبية
- إذا دفعت عربة حاسوب مسافة ١٠ أمتار بقوة أفقية مقدارها ٥٠ نيوتن، فما مقدار الشغل الذي تبذله؟
- ما مقدار الشغل الذي يبذله متسابق أولمبي أثناء ركضه مسافة ٢٠٠ متر بقوة ٦ نيوتن؟
ربط مع علم الأحياء: العضلات والشغل
رغم أنك تبدو لا تتحرك عندما تضغط عليه، إلا أنك تشعر بالتعب. تتقلص عضلات جسمك حينما تضغط.
هذا التقلص ناتج من تفاعلات كيميائية في عضلاتك. ونتيجة ذلك فإن جسمك يبذل شغلًا عندما تدفع.
ابحث في كيفية تقلص العضلات، واكتب عن ذلك في دفتر العلوم.
وحدة قياس الشغل
يقاس الشغل بوحدة الجول (J)، نسبة إلى العالم البريطاني جيمس بريسكوت جول الذي بين أن الشغل والطاقة مرتبطان.
قد يساعدك على تكوين تصور عن قيمة الجول أن تعلم أن رفع ثمرة خوخ كبيرة من الأرض إلى ارتفاع خصرك يلزم بذل ١ جول من الشغل تقريبًا.
ما الآلة؟
كم آلة استعملت اليوم؟ وفيم استعملتها؟
الآلة أداة تسهل أداء العمل. مفتاح العلب المبين في الشكل ١٩ آلة تحول القوة الصغيرة إلى قوة أكبر، وبذلك يسهل فتح العلبة.
الآلة البسيطة هي التي تتطلب حركتها حركة واحدة فقط.
من أمثال الآلة البسيطة:
- مفك البراغي.
- البكرة.
- الرافعة.
- العتلة.
- العجلة والمحور.
- السطح المائل.
- البرغي.
- الإسفين.
أما الآلة المركبة فتتكون من مجموعة من الآلات البسيطة، ومنها مفتاح العلب.
تسهل الآلات البسيطة الشغل بإحدى الطرائق التالية:
- تغير مقدار القوة.
- تغير اتجاه القوة.
- أو تغير مقدار القوة واتجاهها معًا.
الشكل ١٩
مفتاح العلب يحول القوة الصغيرة في يدك إلى قوة كبيرة على النصل الذي يقطع غطاء العلبة.
العلوم عبر المواقع الإلكترونية: الآلات القديمة
ارجع إلى المواقع الإلكترونية الموثوقة عبر شبكة الإنترنت.
نشاط
اكتب قصة تقع أحداثها في القرن التاسع عشر يستخدم فيها شخصيات القصة ثلاث آلات قديمة. وبين كيف تسهل الآلات العمل.
الفائدة الآلية
تقول إن الآلات مفيدة؛ لأنها تقوم بمضاعفة أثر القوى المبذولة.
وتعرف النسبة التي تضاعف بها الآلة أثر القوة المؤثرة بـ الفائدة الآلية.
فعندما تضغط على مقبض مفتاح العلب فإنك تؤثر فيه بقوة تسمى القوة المبذولة، ويغير مفتاح العلب هذه القوة إلى قوة أخرى تؤثر في النصل الذي يقطع غطاء العلبة، وتسمى هذه القوة القوة الناتجة.
ويمكن إيجاد الفائدة الآلية بقسمة القوة الناتجة على القوة المبذولة.
معادلة الفائدة الآلية
الفائدة الآلية = القوة الناتجة ÷ القوة المبذولة
ماذا قرأت؟
كيف تجعل الآلات البسيطة الشغل أسهل؟
البكرة
لرفع ستارة نافذة فإنك تشد حبلًا للأسفل يمر خلال بكرة تغير اتجاه القوة.
فالبكرة عجلة بها تجويف في وسط إطارها يمكن أن يمر خلاله حبل. تغير البكرة اتجاه القوة المبذولة.
فالبكرة البسيطة المبينة في الشكل ٢٠ تغير اتجاه القوة فقط وليس مقدارها؛ لذا فالفائدة الآلية لها تساوي ١.
يمكن الحصول على فائدة آلية أكبر إذا استخدمنا أكثر من بكرة واحدة، كما في نظام البكرتين المبين في الشكل ٢٠؛ فالفائدة الآلية تساوي ٢.
كل حبل من حبال الحمل يحمل نصف الوزن المعلق؛ ولذلك تكون القوة المبذولة مساوية لنصف وزن الثقل المرفوع.
وهكذا تكون الفائدة الآلية ضعف الفائدة الآلية للبكرة الواحدة.
لاحظ أننا في هذه الحالة حصلنا على قوة مقدارها ١٠٠ نيوتن:
٥٠ نيوتن + ٥٠ نيوتن
لرفع الصندوق، وذلك بالتأثير في الحبل الحر بقوة مقدارها ٥٠ نيوتن فقط.
الشكل ٢٠
البكرة تغير اتجاه القوة المبذولة، وقد تعمل على إنقاص القوة اللازمة.
تجربة: ملاحظة الفائدة الآلية للبكرات
الخطوات
- اربط حبلًا طوله ٣ أمتار في منتصف عصا مكنسة أو وتد، وأمسك هذه العصا أفقيًا. اطلب إلى زميلك أن يمسك بعصا أخرى أفقيًا. لف الحبل حول كلتا العصوين أربع مرات مع المحافظة على مسافة بين العصوين مقدارها نصف متر.
- يسحب طالب ثالث الحبل بينما يحاول زملاؤه إبقاء العصوين على البعد نفسه.
- لاحظ ما يحدث. كرر التجربة بلف الحبل لفتين ثم ثماني لفات.
التحليل
- صف ما شاهدت. هل استطاع الطالبان الإبقاء على العصوين متباعدين؟
- قارن النتائج في حالة لف الحبل لفتين، ثم أربعة، ثم ثماني لفات حول العصوين.
الرافعة «العتلة»
من المحتمل أن تكون الرافعة أول آلة بسيطة اخترعها الإنسان.
والرافعة قضيب أو لوح يرتكز على نقطة ثابتة تسمى نقطة الارتكاز.
تعمل الروافع على زيادة القوة أو زيادة المسافة التي تؤثر خلالها القوة.
وكما هو موضح في الشكل ٢١، فالروافع تنقسم إلى ثلاثة أنواع بناءً على موضع تأثير القوة المبذولة، والقوة الناتجة، ونقطة الارتكاز.
في النوع الأول تكون نقطة الارتكاز بين القوة المبذولة والقوة الناتجة، ويستعمل النوع الأول عادة لزيادة القوة.
وفي النوع الثاني تعمل الرافعة بحيث تقع القوة الناتجة بين القوة المبذولة وبين نقطة الارتكاز، كما في عربة اليد، وتكون القوة الناتجة دائمًا أكبر من القوة المبذولة.
وفي النوع الثالث تكون القوة المبذولة بين نقطة الارتكاز والقوة الناتجة. والفائدة الآلية للنوع الثالث تكون دائمًا أقل من واحد؛ ففي النوع الثالث تزيد المسافة التي تؤثر خلالها القوة، كما في الملقط.
الشكل ٢١
تصنف الرافعة حسب موضع كل من القوة المبذولة والقوة الناتجة ونقطة الارتكاز.
تعليقات الصور
- الملقط يمثل رافعة من النوع الثالث، فنقطة الارتكاز هي اليد السفلى، والقوة الناتجة تقع عند نهاية الملقط.
- عربة اليد رافعة من النوع الثاني، فنقطة الارتكاز هي العجلة، بينما تؤثر القوة المبذولة في المقبض، والحمل الذي يمثل القوة الناتجة يقع بين القوة المبذولة ونقطة الارتكاز.
- يستعمل المفك أحيانًا بوصفه رافعة من النوع الأول؛ حيث تكون نقطة الارتكاز بين القوة المبذولة والقوة الناتجة.
العجلة والمحور
حاول إدارة مقبض دائري من قاعدته الضيقة القريبة من الباب، ثم كرر المحاولة من رأسه العريض. ستجد أن إدارته من رأسه العريض أسهل.
مقبض الباب مثال على العجلة والمحور. انظر الشكل ٢٢.
يتكون هذا النظام من جسمين مثبتين معًا ويدوران حول المحور نفسه.
الجزء الأكبر يسمى العجلة، بينما الأصغر يسمى المحور.
تحسب الفائدة الآلية لهذا النظام بقسمة نصف قطر العجلة على نصف قطر المحور، وتكون دائمًا أكبر من واحد.
الشكل ٢٢
نصف قطر العجلة أكبر من نصف قطر المحور؛ ولذلك تكون الفائدة الآلية للعجلة والمحور أكبر من واحد.
ماذا قرأت؟
كيف تسهل كل من الرافعة والبكرة والعجلة والمحور العمل؟
المستوى المائل
هو سطح منحدر يمكنك من رفع جسم ثقيل بقوة أقل من قوة رفعه رأسيًا.
ولكن عليك أن تحركه لمسافة أطول.
تخيل أنك تريد رفع أريكة أو مولد كهرباء صغير مسافة ١ متر من الأرض.
إذا استعملت مستوى مائلًا كما في الشكل ٢٣ فإن عليك أن تحرك العربة مسافة أطول مما لو رفعتها رأسيًا مباشرة.
ولأن الشغل اللازم بذله ثابت في الحالتين، لذلك يلزمك التأثير بقوة أقل في حالة استخدام السطح المائل.
وتحسب الفائدة الآلية للمستوى المائل بقسمة طول السطح المائل على ارتفاعه.
وكلما زاد طول السطح المائل قلت القوة التي تحتاج إليها لتحريك الجسم.
ويعتقد علماء الآثار أن قدماء المصريين قد استعملوا السطوح المائلة لبناء الأهرامات.
الشكل ٢٣
تحمل هذه العربة في الشاحنة باستخدام السطح المائل، وبالرغم من دفع العربة مسافة أطول فإنه يلزم قوة أقل.
الإسفين
هو سطح مائل متحرك له وجه واحد أو وجهان مائلان.
فأسنانك الأمامية إسفين، والإسفين يغير اتجاه القوة المبذولة.
فمثلًا عندما تدفع بأسنانك الأمامية في التفاحة تتغير قوة الدفع جانبيًا لتمزيق قشرة التفاحة.
وتعد السكاكين والفؤوس أسافين تستخدم للقطع.
يبين الشكل ٢٤ أن أسنان آكلات اللحوم تشكل إسفينًا لتمزيق اللحم، في حين أن أسنان آكلات الأعشاب تعمل على طحن المادة النباتية.
يستطيع العلماء تحديد مما كان يأكله الحيوان المتحجر بفحص أسنانه.
قال تعالى:
{إِنَّا كُلَّ شَيْءٍ خَلَقْنَاهُ بِقَدَرٍ}
سورة القمر: ٤٩
الشكل ٢٤
لكل من آكلات اللحوم وآكلات الأعشاب أسنان مختلفة.
تعليقات الصور
- هذه الأسنان لها شكل أسافين لتمكين المفترسات من تمزيق اللحوم.
- أسنان آكلات الأعشاب مفلطحة وتستخدم في الطحن.
البرغي
عند الصعود إلى قمة جبل عال فإننا نسلك طريقًا ملتفًا حول الجبل؛ لأن هذا الطريق يكون أقل انحدارًا من الطريق المستقيم الممتد رأسيًا من أسفل الجبل إلى قمته، مما يسهل تسلقه على الرغم من زيادة مقدار المسافة التي تقطعها لصعوده.
ويشبه هذا الطريق الجبلي البرغي، كما في الشكل ٢٥.
وهو عبارة عن سطح مائل يلتف حلزونيًا أو التفافًا حلزونيًا حول عمود يسمى أسطوانة الشكل، مدبب من أحد طرفيه ويغرس من الجهة الأخرى.
والبرغي يغير اتجاه القوة المبذولة كما هو الحال في الإسفين.
فعند تدوير البرغي فإن أسنان البرغي تغير اتجاه القوة المبذولة بحيث تدفع البرغي داخل المادة.
والاحتكاك بين أسنان اللولب والمادة يثبت البرغي بقوة في مكانه.
مراجعة الدرس ٣
الخلاصة
الشغل
- ينجز الشغل عندما يتحرك جسم في نفس اتجاه القوة المؤثرة فيه.
- يحسب الشغل باستخدام المعادلة الآتية:
ش = ق × ف
الآلات البسيطة
- الآلة أداة تسهل العمل.
- هناك ستة أنواع من الآلات البسيطة، هي:
- البكرة.
- الرافعة.
- المستوى المائل.
- العجلة والمحور.
- البرغي.
- الإسفين.
- تحسب فائدة الآلة بقسمة القوة الناتجة على القوة المبذولة.
- تتكون الآلة المركبة من عدة آلات بسيطة.
اختبر نفسك
- صف: ثلاث طرائق تبين أن استخدام الآلة يسهل العمل.
- فسر: لماذا يكون الشغل الناتج أقل من الشغل المبذول في الآلات؟
- قارن: بين العجلة والمحور وبين الرافعة.
- التفكير الناقد: حدد جزأين من جسمك يعملان بوصفهما رافعتين. إلى أي أنواع الروافع ينتمي كل منهما؟
تطبيق الرياضيات
- احسب: الشغل اللازم لرفع حجر جيري يزن ١١٠٠٠ نيوتن مسافة ١٥٠ مترًا.
- احسب: القوة اللازمة لرفع جسم وزنه ٢٥٠٠ نيوتن باستخدام نظام بكرات فائدته الآلية ١٠.
جاري تحضير الدرس المعاد صياغته وبناء الأنماط
نحافظ على المعنى العلمي ونربط كل فقرة بنواتجها ومفاهيمها.
إعادة إنتاج الدرس حسب نمط التعلم
طلب واحد ينتج المسارات البصري والسمعي والحركي والقرائي معًا، بصياغة تراعي سياق المناهج السعودية.
اختر نمط التعلم
تُنتج الأنماط الأربعة دفعة واحدة، ثم تُستدعى الحزمة المحفوظة في الزيارات التالية.