بحث عن العمل والطاقة والالات البسيطة

بحث عن العمل والطاقة والالات البسيطة فالإنسان يعتمد في حياته اليومية على الآلة وسواء كانت هذه الآلة بسيطة أو آلات معقدة، فهي ضرورية جداً لإنجاز أعمالنا اليومية سواء في البيت أو العمل أو حتى في أوقات الترفيه والإجازات على أكمل وجه، حيث أن مفهوم الآلة يشمل كل ما هو حولنا ليسهل طريقة عيشنا وذلك لتقليل الوقت والجهد، وهذا ما سوف نعرفكم عليه من خلال بحثنا هذا كل ما يخص هذا الموضوع ويشمل أساسياته.

بحث عن العمل والطاقة والالات البسيطة

من خلال بحثنا هذا سوف نبدأ بنظرية العمل والطاقة وما هي الآلات البسيطة، والمبادئ الأساسية لكل من العمل والطاقة والقوة، ثم سندخل بعلم الطاقة لنعرفكم على أنواعها وكيفية حفظها وكيفية تحويلها، حتى نصل إلى علاقتها بالآلة، لنبدأ بالتعرف على الآلات وطريقة عملها.

شاهد أيضاً: بحث عن ديناميكية الجماعة الحيوية

نظرية الطاقة والعمل

ينص مبدأ نظرية العمل والطاقة الحركية (المعروف أيضًا باسم نظرية العمل والطاقة) إن العمل الذي يقوم به مجموع كل القوى المؤثرة على الجسيم تساوي التغير في الطاقة الحركية للجسم، يمكن أن يمتد هذا التعريف إلى الأجسام الصلبة من خلال تحديد عمل عزم الدوران والطاقة الحركية الدورانية، (في الطاقة الحركية تتناسب الطاقة الحركية مع الكتلة، و تزداد الطاقة الحركية للكتلة نتيجة لكمية العمل) يتم تعميم هذه العلاقة في نظرية العمل والطاقة، باختصار شديد جميع القوى المؤثرة على الجسيم تساوي التغير في الطاقة الحركية للجسم.[1]

ما هي المبادئ الأساسية للعمل والطاقة والقوة؟

سوف نوافيكم بالمبادئ الأساسية للعمل والطاقة والقوة من خلال السطور التالي وذلك بغية استخلاص العلاقة بينهم، إليك مبادئ كل منها على حدى:[2]

• العمل: فيزيائياً تنجز القوة عملاً عندما تنتقل على حاملها وبجهتها مسافةٍ ما، أي تعمل القوة إذا كان هناك إزاحة لنقطة التطبيق في اتجاه القوة عند العمل، وينقل العمل الطاقة من مكان إلى آخر أو من شكل إلى آخر.
• القوة: هي كل مؤثر قادر على تغيير شكل الجسم وطاقته الحركية،وهي معدل المنجز فكمية الطاقة المنقولة لكل وحدة زمنية ليس لها اتجاه وبالتالي هي كمية عددية، و في النظام الدولي للوحدات (الجملة الدولية) وحدة الطاقة هي الجول في الثانية ويرمز لها j والمعروفة باسم واط تكريماً لجيمس وات (وهو مطور القرن الثامن عشر للمحرك البخاري).
• الطاقة (نظرية الطاقة والعمل): وينص مبدأ العمل والطاقة الحركية (المعروف أيضًا باسم مبدأ العمل والطاقة) كما قلنا سابقاً على أن العمل الذي تقوم به جميع القوى المؤثرة على الجسيم (عمل القوة الناتجة) يساوي التغير في الطاقة الحركية للجسم ويرمز للعمل ب w ويحسب قانون العمل w=m.g، حيث m الكتلة بالكيلو جرام واحدتها الدولية kg وg يعني تسارع الجاذبية الأرضية واحدتها الدولية m.s وw يعني العمل ويقدر بالجملة الدولية j أي الجول. 

ما الفرق بين الطاقة الحركية والطاقة الكامنة؟

إليك النقاط الأساسية التي تمثل الفوارق الأساسية بين الطاقة الحركية والطاقة الكامنة:[1]

• الطاقة الحركية: هي الطاقة التي تنتج عن حركة الجسم، و تعتمد كمية الطاقة الحركية على شيئين هما، كتلة الجسم ومدى سرعة تحركه، حيث يتم تحديد مقدار الطاقة الحركية (KE) بالجول التي يحددها الجسم وإذا كان جسمان لهما كتلة متساوية، فإن الجسم الذي يتحرك بشكل أسرع يكون لديه طاقة حركية أكبر.
• الطاقة الكامنة: هي الطاقة التي يختزنها الجسم نتيجة العمل الذي بذل عليه لرفعه إلى ارتفاع معين عن سطح الأرض بسبب موقعه، ولا تنطوي الطاقة الكامنة على الحركة فهي تعتمد على التفاعل بين جسمين والقوى المعنية و هذا يعتبر طاقة مخزنة، فإذا وضعنا  كتابًا على طاولة، فسيمتلك الكتاب والأرض طاقة كامنة وأيضا الطاقة الكامنة للجاذبية هي الطاقة الناتجة عن قوى الجاذبية بين جسمين، فرفع جسم فوق الأرض يزيد من طاقة وضع الجاذبية لأن الشغل المبذول على الجسم ضد قوة الجاذبية، وفي بعض الحالات يمكن أن تتأثر الطاقة الكامنة أيضًا بالقوى الميدانية الأخرى بين الكائنات.

ماهي أنواع الطاقة ؟

أنت تستخدم الطاقة باستمرار في أنشطتك اليومية، فعندما تضيء الأنوار أو تسخن الطعام في الميكروويف، فأنت تعلم أنك تستخدم نوعًا ما من الطاقة، و في حالات أخرى تكون تفاعلاتك مع الطاقة أقل وضوحًا، فعندما تنام يستخدم جسمك الطاقة للحفاظ على درجة حرارتك الداخلية والتنفس وهضم الطعام وإصلاح الخلايا المصابة، وهناك العديد من أنواع الطاقة التي تعمل باستمرار والتي تتسبب بالتغييرات من حولك، إليك أنواع الطاقة: [3]

الطاقة الميكانيكية

الطاقة الميكانيكية لجسم ما هي مجموع طاقته الحركية وطاقته الكامنة معاً، وكمثال لطاقة كامنة: عندما تكون السفينة الدوارة أعلى التل يتم تخزين كل طاقتها فترتفع طاقتها الكامنة وتقل طاقتها الحركية، وعندما تنزل السيارات في منحدر التل تزداد طاقتها الحركية وتقل طاقتها الكامنة بمقدار متساوٍ، وغالباً بدون احتساب الاحتكاك تظل الطاقة الميكانيكية كما هي طوال الرحلة بأكملها حيث تتحرك السيارات لأعلى ولأسفل.

الطاقة الحرارية

في حين أنه قد لا يكون واضحًا لك فإن كل قطعة من المادة من حولك مليئة بالطاقة، حيث أنه  تتفاعل الذرات والجزيئات التي تتكون منها المادة دائمًا، وتتدفق الجزيئات السائلة أو الغازية من مكان إلى آخر وحتى جزيئات المادة الصلبة تهتز باستمرار، وهنا يمكن القول أن الطاقة الحرارية هي مجموع الطاقة الحركية والطاقة الكامنة للجسيمات التي تتكون منها المادة، ويمكن اكتشاف الطاقة الحرارية عندما تتدفق من جسم إلى آخر كحرارة.

الطاقة الكيميائية

هي الطاقة الكامنة المخزنة في الروابط بين ذرات المادة، ومصادر هذه الطاقة المخزنة هي مجالات القوة الكهرومغناطيسية للجسيمات المشحونة التي تشكل الذرات، حيث توفر التفاعلات بين هذه المجالات الطاقة التي يمكن إطلاقها أثناء تفاعل كيميائي، وتعتبر الطاقة الكيميائية هي مصدر معظم الطاقة التي يحتاجها البشر ليعملوا، فالنباتات مثلاً  تخزن الطاقة الكيميائية في الكربوهيدرات المتكونة أثناء عملية التركيب الضوئي، كما يطلق البشر هذه الطاقة الكيميائية أثناء الهضم ويستخدمونها لتزويد الأنظمة بالطاقة داخل الجسم.

الطاقة النووية

 تحتوي نوى الذرات على كمية هائلة من الطاقة الكامنة، فالطاقة المخزنة في نواة الذرة تسمى الطاقة النووية، و تعمل الطاقة النووية على تماسك جزيئات النواة معًا، حيث يمكن إطلاقها عند دمج النوى وهو ما يحدث في التفاعلات في الشمس، كما يمكن أيضًا إطلاق الطاقة النووية عندما تنفصل النوى عن بعضها وهو ما يحدث في المفاعلات النووية على الأرض، وينتج كيلوغرام واحد من اليورانيوم المستخدم كوقود في محطة للطاقة النووية نفس كمية الطاقة التي ينتجها 14 ألف كيلوغرام من الفحم المحترق في محطة طاقة تعمل بالفحم.

الطاقة الضوئية

تعرف بأنها طاقة الموجات تنبعث الطاقة المشعة من مصدر ما على شكل موجات، حيث تحمل هذه الموجات الطاقة من الشمس عبر فراغ الفضاء إلى الأرض، وتعتبر الطاقة المشعة هي شكل من أشكال الطاقة الحركية، وبالإضافة إلى الضوء الذي يمكننا رؤيته تشتمل الطاقة المشعة على موجات الراديو والميكروويف والأشعة تحت الحمراء والأشعة فوق البنفسجية وأشعة جاما والأشعة السينية.

الطاقة الكهربائية والطاقة المغناطيسية (الكهرومغناطيسية)

يمكن أن تؤثر بعض الكائنات على كائنات أخرى من مسافة بعيدة بسبب مجال القوة الموجود حولها، ف مجال القوة هو دفع أو سحب يتم إجراؤه في منطقة حول الجسم الذي ينتج ذلك، و الطاقة الكهربائية والطاقة المغناطيسية كلاهما نتيجة المجالات و ترتبط هذه الأشكال من الطاقة ببعضها البعض.

الطاقة كهربائية

أحيانا قد تتعرض لصدمة بعد المشي على سجادة ثم لمس جسم معدني مثل مقبض الباب، والسبب أنه قد تأتي الصدمة من نقل الشحنة الكهربائية، حيث أنه هناك نوعان من الشحنات الكهربائية: موجبة وسالبة وهما شحنتان متشابهتان تتنافران وشحنتان مختلفتان تجذبان بعضهما البعض، أما  الإلكترونات فهي عبارة عن جسيمات ذرية سالبة الشحنة تتنافر بشكل طبيعي من خلال تفاعل المجالات الكهربائية التي تحيط بكل إلكترون، والطاقة الكامنة الكهربائية هي نتيجة مواقع الجسيمات المشحونة داخل المجالات الكهربائية، ويؤدي الاحتكاك الناتج عن تحريك القدمين على السجادة إلى حك الإلكترونات الموجودة على السجادة بالقدم.

الطاقة المغناطيسية

ينتج المغناطيس قوة يمكنها جذب أو طرد مغناطيسات أخرى (تنافر)، كما يمكن أن تجذب بعض المواد الأخرى كالحديد، ويمكنك الشعور بذلك عن طريق حمل مغناطيسين بالقرب من بعضهما البعض، و بالاعتماد على كيفية إمساك المغناطيسين  يمكنك الشعور بهما يتنافران أو يتجاذبان بعضهما البعض، فإذا تنافر المغناطيسان فيعني أنهما متماثلي القطب وإذا تجاذبها معناه أنهما مختلفي القطب، وهذا الدفع أو السحب ناتج عن قوة المجال المغناطيسي حيث يتم إنتاج الحقل المغناطيسي عن طريق تحريك الإلكترونات كما هو الحال في الذرات، حيث  يُبذل المجال المغناطيسي في المنطقة المحيطة بالمغناطيس وهو أقوى ما يكون بالقرب من المغناطيس، ويمتد هذا المجال المغناطيسي بين قطبين مغناطيسيين وهي المناطق التي يكون فيها المجال المغناطيسي الذي يمارسه المغناطيس هو الأقوى نسبة إلى إلى المجال المغناطيسي للمغناطيس الثاني حيث أنه يقع القطبان الشمالي والجنوبي على طرفي نقيض لقضيب مغناطيسي.

شاهد أيضاً: بحث عن الأفكار القديمة للمادة

كيف يتم الحفاظ على الطاقة؟

غالبًا ما يتحدث الناس عن الطاقة كما لو تم استهلاكها أو فقدها أثناء نشاط ما، ومع ذلك  لا تزال الطاقة موجودة  في شكل قد لا يكون واضحًا، حيث ينص قانون حفظ الطاقة (مبدأ مصونية الطاقة) على أنه يمكن تغيير الطاقة من حيث الشكل ولكن لا يمكن إنشاؤها أو تدميرها، وقد يستغرق الأمر بعض الأعمال البوليسية لتتبع مسار الطاقة لأنها تغير أشكالها، فعلى سبيل المثال يتطلب الأمر الكثير من الطاقة لتشغيل سباق، وبالنتيجة  بعد السباق أصبح جسم العداء أقل طاقة مما كان عليه من قبل، حيث أنه تم تحويل الطاقة الكيميائية المستخدمة في تقوية العضلات إلى طاقة حركية وطاقة حرارية. [2]

مبدأ مصونية الطاقة 

إن الطاقة لا تفنى ولا تستحدث من عدم، إنما تتحول من شكل لآخر دون زيادة أو نقصان.

أي أن الطاقة ليس لها أمد وموجودة بشكل دائم مع ذلك لا تستطيع استحداث الطاقة من لا شيء بل أنها تتحول لأشكال طاقة أخرى من دون أن ينقص أو يزيد مقدارها،على سبيل المثال: المروحة تحول الطاقة الكهربائية لطاقة حركية.[4]

كيف يتم تحويل الطاقة؟

نلاحظ التغيرات في الطاقة في كل وقت، فعلى سبيل المثال عندما يتحرك جسم ما عكس الجاذبية، يتم تحويل بعض طاقته الحركية إلى طاقة كامنة، فدائرة كهربائية تحتوي على مصباح كهربائي تحول الطاقة الكهربائية إلى طاقة مشعة وطاقة حرارية، ويسمى تغيير أحد أشكال الطاقة إلى شكل آخر من أشكال الطاقة بتحويل الطاقة، يمكن للطاقة أن تغير أشكالها بعدة طرق مختلفة، حيث يمكن أن  تحدث تحويلات الطاقة باستمرار في الكائنات الحية، فجسم الإنسان يقدم العديد من الأمثلة على تحولات الطاقة، حيث يأخذ الجسم الطاقة الكيميائية الكامنة في شكل طعام، ثم يتحول الطعام إلى مواد كيميائية أخرى في الجهاز الهضمي، وتفصيلياً: ستوفر السكريات الطاقة الكيميائية لوظائف الجسم ستخزن الدهون الطاقة الكامنة لاستخدامها في المستقبل، كما يقوم القلب والعضلات الأخرى بتحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة حركية  بينما يدور الدم ويتحرك الجسم، وفي بعض الحالات  تتحول بعض طاقة الجسم إلى صوت، وأيضاً يطلق الجسم طاقة حرارية على شكل حرارة، وغالباً ما تستخدم الأعصاب الطاقة الكهربائية للتواصل داخل الجسم.

ومن الأمثلة أيضاً: فالنباتات تحول الطاقة الضوئية إلى طاقة كيميائية من خلال عملية التركيب الضوئي.[3]

ما هي العلاقة بين الآلة والطاقة؟

الآلة ترتبط ارتباطاً وثيقاً بالطاقة لأن الآلات تعتمد على الطاقة لكي تعمل، فالآلات مصنوعة من قبل البشر لجعل عملنا أكثر بساطة، ونظرًا لأننا نتغذى بالطعام الذي نتناوله في العمل، فحتى الآلات تتطلب طاقة تغذيها حتى تعمل (والتي هي الغذاء بالنسبة لنا)، حيث تتولد هذه الطاقة عن طريق حرق الوقود التي نوفرها لهم أو الطاقة الكهربائية، وتعتمد الآلات هنا على الوقود لتزويدها بالطاقة، بمعنى آخر فهذا يعني أن الطاقة هي دائمًا عامل مستقل.[2]

ما هي الآلة البسيطة؟

 الآلات البسيطة هي الآلات التي تجعل العمل أسهل عن طريق ضرب أو تقليل أو تغيير اتجاه القوة وتوفر الوقت والجهد، ويعطى قانون الآلة بالصيغة العلمية للشغل على الشكل التالي  w = fxd والتي تعني أن العمل يساوي شدة القوة مضروبة في المسافة، و بالمجمل لا تستطيع الآلات البسيطة تغيير حجم العمل المنجز ولكنها يمكن أن تقلل من قوة الجهد المطلوبة للقيام بالعمل فمثلاً:  بالنسبة للطائرة والرافعة المائلة يلزم بذل جهد أقل (قوة الجهد) للقيام بنفس العمل لأن المسافة تزداد.[3]

لماذا لا تستطيع الآلات البسيطة تغيير حجم العمل الذي تقوم به؟ 

في الأنظمة المغلقة يتم حفظ الكمية الإجمالية للطاقة ولا يمكن للآلة زيادة كمية الطاقة التي تضعها فيه، ومع ذلك تعتبر الآلة البسيطة مفيدة، فعلى الرغم من أنه لا يمكن أن يغير مقدار العمل الذي تقوم به إلا أن الآلة البسيطة يمكنها تغيير مقدار القوة التي يجب أن تطبقها على جسم ما  والمسافة التي تطبق القوة عليها، كما أنه في معظم الحالات يتم استخدام آلة بسيطة لتقليل مقدار القوة التي يجب أن تبذلها للقيام بالعمل، لكن الجانب السلبي هو أنه يجب عليك بذل القوة على مسافة أكبر لأن حاصل ضرب القوة والمسافة (الذي يساوي الشغل) لا يتغير.[2]

هل تقلل الطائرات المائلة من مقدار القوة المطلوبة ؟ 

من الممكن أن تقلل الطائرات المائلة من مقدار القوة المطلوبة ولكن يتطلب الأمر مزيدًا من المسافة، فمن خلال دفع الجسم لأعلى على سطح مائل يمكن للمرء أن يحرك الجسم إلى الارتفاع h) h تدل على النقطة التي يجب أن يرتفع الجسم إليها) بقوة أقل من وزن الجسم، فقوة المقاومة  تساوي وزن الجسم، حيث  يتطلب الأمر الشغل للتغلب على قوة المقاومة ورفع الجسم إلى الارتفاع h، و من خلال العمل عليها  نمنحها طاقة وضع الجاذبية، ومن خلال بذل القوة (الجهد) لدفع الجسم لأعلى في المنحدر نقوم بنفس القدر من العمل في حالة مثالية خالية من الاحتكاك، و لذلك عند ضبط العمل على قدم المساواة فسنصل إلى الميزة الميكانيكية المثالية، ويوجد طريقة أخرى للميل  والتي هي فقط حساب مقدار القوة المطلوبة لدفع الجسم لأعلى في منحدر غير احتكاك، إذا تم حل القوى كما في مشكلة الميل القياسية، فستجد أن القوة المطلوبة هي Fe = mgsinθ = mg/ L = Fr (h / L).  

هل الميزة الميكانيكية الفعلية تأخذ الاحتكاك في الاعتبار؟

يتم حساب الميزة الميكانيكية الفعلية بقسمة قوة المقاومة على قوة الجهد، وفي مصادر أخرى يتم تسميتها ب قوة الإخراج وقوة الإدخال على التوالي، ف قوة المقاومة هي وزن الجسم المراد تحريكه والتي هي قوة إخراج الآلة البسيطة، أما قوة الإدخال فهي نفس قوة الجهد المبذول لتحريك الجسم باستخدام الآلة، وهذه الصيغة هي نفسها المستخدمة للرافعة والمستوى المائل.[4]

ما هو مبدأ الرافعات؟

تعمل الرافعة على تسهيل العمل عن طريق تقليل القوة اللازمة لتحريك الحمل عن طريق زيادة المسافة، فالرافعة عبارة عن آلة بسيطة تتكون من قضيب صلب يدور حول نقطة ثابتة تسمى نقطة الارتكاز، و تجعل الرافعة القيام بالعمل أسهل من خلال تقليل القوة اللازمة لتحريك الجسم، و لتقليل القوة المطلوبة، يجب زيادة المسافة التي يتم خلالها تطبيق القوة، و لزيادة هذه المسافة يجب أن يكون الحمل المراد نقله قريبًا من نقطة الارتكاز ويجب تطبيق القوة بعيدًا عن نقطة الارتكاز، ومن الأمثلة الشائعة للرافعة هو الأرجوحة، وتعتبر الذراع البشرية هي أيضًا رافعة حيث يكون الكوع هو نقطة الارتكاز وتطبق العضلات القوة.[4]

ما هو مبدأ البكرة؟

البكرة عبارة عن عجلة محززة بحبل أو سلسلة أو كبل يمتد على طول الأخدود والتي يمكن تثبيتها أو تحريكها، حيث يمكن توصيل بكرة ثابتة بشيء لا يتحرك مثل السقف أو الحائط، بحيث تكون المسافة التي يتم سحب الحبل فيها لأسفل مساوية للمسافة التي يتحرك بها الحمل لأعلى، ولكي يساوي عمل الإدخال عمل الإخراج، يجب أن تساوي قوة الإدخال على الحبل قوة الإخراج على الحمل؛ و لذلك لا تغير البكرة الثابتة القوة أو المسافة،  فهو يغير فقط اتجاه قوة الإدخال، أما البكرة المتصلة بالجسم الذي يتم تحريكه تسمى  بكرة متحركة وعلى عكس البكرة الثابتة وتتضاعف البكرة المتحركة القوة، و لذلك يجب بذل قوة الإدخال على مسافة أكبر، ولكن عندما يتم الجمع بين البكرات الثابتة والمتحركة يتم تشكيل نظام من البكرات.[4]

ما هو مبدأ العجلة والمحور؟

العجلة والمحور هو عبارة عن آلة بسيطة تتكون من جسمين دائريين بأحجام مختلفة. في المحور (وهو أصغر الجسمين) متصل بمركز عجلة أكبر وكلاهما يدوران معًا، يمكن تطبيق قوة الإدخال على العجلة أو المحور ومن الأمثلة: فتعتبر مقابض الأبواب والمفكات ومقابض الصنبور من أكثر الأمثلة على العجلات والمحاور المستخدمة في حياتنا اليومية.[4]

ما هي الآلات المركبة؟

تتكون الآلات المركبة (مثل السيارات) من أكثر من آلة بسيطة، حيث يتسبب احتراق الوقود في إسطوانات محرك السيارة في تحريك المكابس لأعلى ولأسفل، وهذا يجعل العمود المرفقي يدور، فتنتقل القوة التي يبذلها العمود المرفقي الدوار إلى أجزاء أخرى من السيارة مثل ناقل الحركة والتفاضل، كما يحتوي كلا الجزأين على تروس وهي عبارة عن عجلات ومحاور، وتحتوي السيارات أيضًا على روافع وبكرات.[4]

شاهد أيضاً: بحث عن العدسات المحدبة والمقعرة

خاتمة بحث عن العمل والطاقة والالات البسيطة

وهكذا نكون قد وصلنا إلى نهاية بحثنا بعد أن بدأنا بنظرية العمل والطاقة وما هي الآلات البسيطة، والمبادئ الأساسية لكل من العمل والطاقة والقوة، ودخلنا لكم بعلم الطاقة وعرفناكم على أنواعها وكيفية حفظها ومبدأ مصونية الطاقة وكيفية تحويلها من شكل لشكل آخر، واستخلصنا العلاقة التي تجمع الطاقة بالآلة وأخيراً وليس آخراً ختمنا بحثنا بأمثلة على الآلات.

في نهاية مقالنا هذا بحث عن العمل والطاقة والالات البسيطة استعرضنا لكم كل ما يخص العمل والطاقة والآلات البسيطة وقوانينها الشاملة، ووصلنا لكم من خلال التحليل إلى علاقتها ببعضها البعض وفي نهاية المطاف أرفقنا لكم الأمثلة التي تبين لكم دليل البحث.