Tip:
Highlight text to annotate it
X
في الفيزياء،
مفاهيم الشغل والقدرة تساعدنا على فهم
وتفسير الكثير من الأمور في عالمنا.
لنبدأ مع الشغل.
الشغل الإيجابي هو الطاقة التي نضعها في النظام،
والشغل السلبي هو الطاقة التي تنتقل خارجًا.
فكّر في الشغل الإيجابي على أنه إيداع للنقود في حسابك البنكي،
والشغل السلبي هو سحب النقود من الحساب.
في النظام المتري،
الشغل والطاقة تقاسان بالجول.
كمثال، لنأخذ ساعة بندول ميكانيكية عتيقة وجميلة،
ننقل الطاقة إلى الساعة
عندما نحرِّك السَاعد
لرفع الأسطوانات المعدنية الثقيلة داخل الساعة.
حينما نقوم بذلك، نقوم بشغلٍ إيجابي،
بإضافتنا الطاقة إلى الساعة،
وتلك الطاقة خزَنت كطاقة كامنة ناشئة عن الجاذبـية.
يمكننا حساب كمية الشغل المنجز عن طريق ضرب القوة المطبّقة
في المسافة التي تحركها الجسم بفعل القوة.
لرفع الأسطوانات المعدنية،
نحن بحاجة إلى تطبيق قوة مساوية لوزنها.
وهذا يعني أن تكون مساوية لقوة الجاذبية
التي تسحب الأسطوانات إلى أسفل.
هذه الأسطوانات تزن 300 نيوتن،
إنها ثقيلة جداً،
ما يقارب وزن طفل صغير،
وإذا رفعناها نصف متر،
نأخذ إذن 300 نيوتن
مضروبة في نصف متر
أي 150 جول من الشغل.
القدرة هي المعدّل الذي تنتقل به الطاقة.
عندما نقول معدّل،
نعني كمية الطاقة المنقولة
لكل وحدة من الزمن.
في النظام المتري، القدرة تقاس
بالجول لكل ثانية،
أو الواط.
مصطلح الواط يعود إلى "جيمس واط"،
الذي ابتكر مفهوم قوة الحصان (وحدة قدرة)
لقياس كمية القدرة
التي تنتج بواسطة حصان أعمال عادي.
"جيمس واط" كان منتجا للمحركات البخارية الصناعية،
وأراد أن يكون زبناؤه المحتملون
قادرين على إجراء مقارنات
بين محركاته البخارية و بقية المحركات المألوفة،
عن طريق القدرة التي تستطيع أن تنتجها بواسطة حصان عمل.
كانت هذه فكرة مفيدة
أن تكون وحدة القدرة في النظام المتري، الواط،
التي سمّيت بإسم "جيمس وات".
سيرًا على خطى "جيمس وات"،
لنقارن بين مقدار القدرة التي تستهلك
لتشغيل ساعة البندول
بالقدرة التي نحتاجها لتشغيل
مصباح بقدرة 100 واط.
يمكننا قياس القدرة التي يستخدمها الشخص
لتدوير الساعة
بتقسيم كمية الشّغل الذي قام به
بالوقت المستغرق منه لعمل ذلك.
إذا استغرق دقيقة واحدة، أو 60 ثانية،
لرفع الأثقال،
إذاً كمية الشّغل تساوي 150 جول
مقسومة على 60 ثانية،
يساوي 2.5 جولا لكل ثانية من الشّغل.
لقد قام بإضافة الطاقة إلى الساعة
بمعدّل 2.5 واط.
قد تحتاجون حوالي 40 ضعفًا من هذا المعدّل
لتشغيل مصباح بقدرة 100 واط.
قبل أن نترك الساعة لتعمل،
الطاقة خزّنت
كطاقة كامنة في الأسطوانات (طاقة الوضع).
إنها مثل حسابك البنكي
عندما تودّع نقودك فيه.
ولكن لو تركنا الساعة تعمل،
ستتحرك الأسطوانات ببطئ إلى الأسفل.
الطاقة تغادر الساعة.
في الواقع، عندما تصل الأسطوانات إلى النهاية،
كل الطاقة التي وضعناها قد غادرتها.
لذا، كم هي القدرة التي استهلكتها الساعة؟
بمعنى آخر، كم جولاً من الطاقة قد غادر الساعة في كل ثانية
إذا استغرقت الأسطوانات 5 أيام لتعود إلى مكانها الأصلي؟
بإمكاننا معرفة هذا
لأننا نعرف بالفعل كمية الشغل الذي أدّيناه
عندما رفعنا الأسطوانات:
150 جولا.
لكن هذه المرة، استغرق الأمر 5 أيام بدلاً من دقيقة.
خمسة أيام تعني 5 ضرب 24
ضرب 60
ضرب 60 مجددا
أي 432,000 ثانية.
لذا نقسِّم الشغل المنجز على الوقت
سنجد أن الإجابة هي حوالي 0.00035 جولا في الثانية،
أي مايقارب 0.35 مِلّي واط.
هذه كمية ضئيلة من القدرة.
هذه الساعة تستخدم قدرة ضئيلة جدًا
بإمكانك تشغيل ما يقرب من 300,000 ساعة
باستخدام نفس القدرة التي يستهلكها مصباح واحد بقدرة 100-واط.
هذا صحيح، بإمكانك تشغيل ساعة في كل بيت
في مدينة متوسطة الحجم بذلك القدر من الطاقة.
هذا استنتاج مذهل
ويتطلب معرفة بالشغل
والقدرة لاكتشاف ذلك.