بخش سوم انرژی ،‌زندگی

در علم فیزیک کار دقیقاً همان معنایی را که روزانه از آن استفاده می کنیم ندارد. مثلاً گاهی می گوئیم هیچ کاری انجام نشده است. در حالیکه از نظر فیزیکی کار انجام شده است و بر عکس گاهی از نظر فیزیکی کاری انجام نشده است. میدانید وقتی به یک جسم ساکن نیرو وارد شود، ممکن است جسم در جهتی که نیر بر آن وارد می شود به حرکت درآید. در این صورت می گوئیم نیرو روی جسم کار انجام داده است.

البته فقط در هنگام به حرکت درآوردن اجسام ساکن کار انجام نمی شود. بلکه اگر نیرویی بر یک جسم متحرک نیز وارد شود، ممکن است سرعت یا جهت حرکت جسم،‌در جهت وارد شدن نیرو تغییر کند. در چنین حالتی هم کار انجام می شود،‌گاهی بر یک جسم نیرو وارد می شود ولی چون جسم به حرکت در نمی آید، در واقع کاری انجام نشده است.

برای مثال وقتی یک وزنه بردار،‌وزنه ای را از روی زمین بلند می کند و به بالای سرش می برد، کار انجام می دهد اما زمانی که وزنه را بالای سر خود نگه می دارد، دیگر از نظر فیزیکی کاری انجام نداده است. ممکن است تصور کنید که در این حالت وزنه بردار انرژی مصرف می کند و در نتیجه، به سرعت خسته می شود، بله این امر کاملاً درست است اما باید توجه داشت که در این حالت ،‌انرژی وزنه بردار صرف فعالیت های داخلی بدن او می شود ولی بر روی ج سم کاری انجام نمی شود. زیرا جسم در این حالت ساکن است و هیچ گونه حرکتی ندارد. وقتی برای بلند کردن یک وزنه یا نگهداشتن آن تلاش می کنید، ماهیچه های شما مرتباً برا ثر پیام های عصبی که از مغز دریافت می کند منقبض می شود. در ماهیچه ها با هر بار انقباض،‌تعداد بسیار کمی کار انجام می شود. در طول چند ثانیه، تعداد انقباض ها به هزاران بار می رسد و در نتیجه در مجموعه تعداد بسیار زیادی کار انجام می شود.

هم چنین گاهی نیرویی بر یک جسم وارد می شود اما جسم در جهت وارد شدن نیرو حرکت نمی کند، مثلآً فردی را در نظر بگیرید که جعبه چوبی سنگینی را در دست دارد و آن را در جهت افقی حرکت می دهد. در این حالت فرد دو نیرو بر جسم اثر می کند، یک نیرو درست برابر با نیروی وزن جسم اما در جهت بالا (خلاف جهت گرانش) به منظور نگهداشتن جسم و جلوگیری از افتادن آن بر روی زمین و نیروی دیگری بصورت افقی بهمنظور به حرکت درآوردن جسم به طرف جلو.
نیروی اول کار انجام نمیدهد چون در جهت وارد شدن آن، جسم جابه جا نمی شود، اما نیروی دوم یعنی نیرویی که از سوی فرد برای به حرکت درآوردن جسم به طرف جلو وارد می شود، کار انجام می دهد.

محاسبه اندازه گیری کار :

برای محاسبه مقدار کار انجام شده می توان از معادله ی زیر استفاده کرد:
جابجایی × نیرو = کار
این معادله نشان میدهد که مقدار کار انجام شده روی یک جسم به میزان نیرویی که بر جسم وارد می شود و کار انجام می دهد و نیز اندازه ی جابجایی جسم بستگی دارد و هر چه این دو بیشتر باشند، مقدار کار انجام شده نیز بیشتر است.
در این معادله، نیرو بر حسب نیوت ن(N) جابجایی بر حسب متر (M) و مقدار کار بر حسب ژول (J) است.
به خاطر داشته باشید که وزن هر جسم بر روی زمین، نیروی گرانشی است که از طرف زمین بر آن جسم وارد می شود و از نظر عددی،‌تقریباً مساوی با ده برابر جرم آن جسم بر حسب کیلوگرم است یعنی :
۱۰× جرم جسم بر حسب کیلوگرم = وزن جسم بر حسب نیوتون

کار و انرژی :

از سالهای قبل ب انرژیهای گوناگون هم چون انرژی پتانسیل ، جنبشی، الکتریکی تابشی، مکانیکی، صوتی، گرمایی، شیمیایی و هسته ای آشنا شوید. هم چنین دانستید که برای اندازه گیری انرژی از یکای ژول، استفاده می شود. مثلاً اگر جسمی به وزن یک نیوتون در فاصله ی متری سطح مین قرار داشته باشد. مقدار انرژی پتانسیل گرانشی آن نسبت به سطح زمین برابر با یک ژول است.
انرژی و کار به یکدیگر کاملاً مربوطند. بطوریکه می توان گفت: هر گاه کاری انجام شود ممکن است حالت های زیر برای انرژی پیش آید:
۱- هنگام انجام کار،‌انرژی از صورتی یا نوعی به صورت یا نوع دیگر تبدیل می شود.

۲ – هنگام انجام کار، انرژی از یک جسم به جسم دیگر انتقال یابد

در فیزیک انرژی چنین تعریف می شود: انرژی توانایی انجام کار است. طبق این تعریف اگر جسمی انرژی داشته باشد، می تواند کار انجام دهد. البته گاهی یافتن راهی برای عملی ساختن این امر مشکل است. یعنی بعضی اوقات ممکن است جسمی انرژیداتشه باشد اما آزاد سازی انرژی آن و به حرکت درآوردن اجسام بوسیله ی آن کار آسانی نباشد، مثلاً در هسته ی اتم ها انرژی فراوانی ذخیره شده است اما آزادسازی این انرژی و انجام کار به وسیله آن نیازمند فناوری در سطح بالاست. همانطور که گفته شد کار و انرژی ارتباط بسیار نزدیکی با هم دارند. بطوری که می توان گفت هر کاری که انجام می شود حتماً انجام کار باتبدیل انرژی همراه است و با انرژی از جسمی به جسم دیگر انتقال یافته است. هم چنین هر گاه جسمی دارای انرژی باشد می توان در صورت ایجاد شرایط مناسب به کمک آن انرژی جسمی را به حرکت درآورد.

توان، سرعت انجام کار:

هنگام بالا دویدن از پله ها، درست به اندازه ی بالارفتن آهسته و قدم به قدم کار انجام می شود. هم چنین کار انجام شده به وسیله دو دونده ی دوی صدمتر تقریباً با هم برابراست در حالیکه فقط یکی از آن ها به عنوان برنده اعلام می شود. در زندگی ما مدت زمان که طول می کشد تا کاری معین انجام شود یکی از عوامل مهم در انجام آن کار به شمار می آید. ما این عامل را در فیزیک با نام توان می شناسیم . توان به معنی سرعت انجام کار است. به عبارت دیگر توان نشان دهنده ی میزان کار انجم شده در واحد زمان است. سرعت انجام کار به وسیله دونده ای که مسیر مسابقه را زودتر طی می کند بیشتر است. به عبارت دیگر توان این دونده از دونده ی دیگربیشتر است.
برای محاسبه توان از معدله زیر که به آن معادله توان می گوئیم، استفاده کنیم.

مقدار کار انجام شده	توان=
زمان انجام کار

در این معادله مقدار کار انجام شده بر حسب ژول (J) مقدار زمان انجام کار بر حسب ثانیه (S) و توان بر حسب وات (W) است.
یک وات توان ماشینی است که در مدت یک ثانیه یک ژول کار انجام میدهد. مفهوم توان هم برای نشان دادن سرعت انجام کار توسط یک فرد یا یک ماشین و هم برای مشخص کردن سرعت تولید یا مصرف انرژی بوسیله دستگاهها استفاده می شود. مثلاً وقتی گوئیم توان یک لامپ برقی ۱۰۰ وات است یعنی در هر ثانیه ۱۰۰ ژول انرژی الکتریکی توسط این لامپ مصرف و مطابق قانون پایستگی انرژی ۱۰۰ ژول انرژی گرمایی و تابشی (نور) به وسیله آن تولید می شود.

شاید تصور کنید که استفاده از جک برای بلند کردن اتومبیل سبب می شود که ما کار کم تری برای بلند کردن آن انجام دهیم اما هرگز چنین نیست . طبق معادله کار ، برای بلند کردن اتومبیل، باید مقدار معین کار انجام می شود و این مقدار با به کارگیری جک کاهش پیدا نمی کند. جک تنها کار را آسانتر می کند. جک به شما کمک می کند تا با نیرویی در حدود ۱۰۰ نیوتون اتومبیل را بلند کنید.به وسایلی که در انجام کارها به ما کمک می کنند تا کارها آسانتر انجام شود ماشین گفته می شود مانند جک اتومبیل. ماشین ها به صورت های گوناگون در انجام کارها به ما کمک می کنند. یکی از راه های کمک ماشین ها به ما ،تغییر محل وارد شدن نیرو به جسم و گاهی نیز تغییر جهت نیرو است.
هم چنین ماشین ها گاهی با افزایش مقدار نیرو به ما کمک می کنند که کارهایی را که نمی توانیم انجام دهیم یا انجام آنها ممکن است سخت باشد به آسانی انجام دهیم. گاهی هم با افزایش مسافت اثر نیرو بر جسم و افزایش سرعت انجام کارماشین ها به ما کمک می کنند.
بعضی دیگر از ماشین ها به جای افزایش نیرو. مسافتی را که نیرو بر آن اثر می کند افزایش می دهند.

مزیت مکانیکی یک ماشین :

ماشین ها می توانند مقدار نیرویی که به آن ها وارد می شود. افزایش یا کاهش دهنده مزیت مکانیکی یک ماشین نسبت بین نیرویی که ماشین به جسم وارد می کند نیرویی که به ماشین وارد می شود را نشان می دهد. مزیت مکانیکی یک ماشین از طریق معادله ی زیر بدست می آید:

نیرویی که ماشین به جس وارد می کند (نیروی مقاوم)	مزیت مکانیکی=
نیرویی که ما به ماشین وارد می کنیم (نیروی محرک)

مزیت مکانیکی نشان می دهد که ماشین، نیروی وارده را چند برابر می کند.

کار داده شده و کار گرفته شده از ماشین :

همان طور که مشاهده می شود وقتی که شخص جعبه را مستقیماًاز روی زمین به داخل کامیون منتقل می کند نیروی بیشتری را بکار می برد اما مقدار جابجایی بار کم تراست. در نتیجه مقدار کار با حالتی که فرد با استفاده از نیروی کم تر، همراه با جابه جایی بیشتر بار را به داخل کامیون می برد. در مقایسه با حالت قبل – برابر است . یعنی مقدار کلی کار انجام شده در هر دو حالت مساوی است و می توان نتیه گرفت که ماشین (سطح شیبدار) در مقدار کار انجام شده ، کاهش ایجاد نمی کند، بلکه فقط انجام کار را آسان تر می نماید.
مطابق قانون «پایستگی انرژی» هنگام تبدیل شدن از یک صورت به صورت دیگر یا انتقال از یک جسم به جسم دیگر خلق و نابود نمی شود، بنابراین مقدار انرژی داده شده به یک ماشین نیز همیشه بامقدار انرژی که از ماشین گرفته می شود برابراست.
(انرژی گرفته شده از ماشین = انرژی داده شده به ماشین)
البته معمولاً مقداری از انرژی داده شده به ماشین ، صرف انجام کار مورد نظر می شود که به آن کار مفید می گوئیم. بقیه آن به صورت های مختلف مثلاً به صورت گرمای ناشی از اصطکاک هدر می رود. به این مقدار از انرژی به هدر رفته، انرژی تلف شده گفته می شود.
در هر وسیله میتوان نسبت کار مفید به کل انرژی داده شده به دستگاه را به عنوان یک عامل مهم در کیفیت آن وسیله در نظر گرفت این نسبت بازده نام دارد. به معادله ی زیر توجه کنید:

انرژی یا کار مفید گرفته شده از وسیله	بازده ماشین =
کل انرژی داده شده بوسیله

ماشین های ساده :

گروهی از ماشین ها که پایه و اساس ساخت ماشین های دیگر را تشکیل می دهند. ماشین ساده نامیده می شوند. می توان گفت ماشین های دیگر حالت تغییر شکل یافته ماشین ساده یا ترکیبی از چند ماشین ساده با یکدیگر هستند.

اهرم :

برای درک چگونگی کار با اهرم، یک الاکلنگ را در نظر بگیرید. وقتی به یک طرف آلاکلنگ نیرویی به سمت پائین وارد شود. آن سمت به طرف پائین وسعت مقابل به طرف بالا حرکت می کند. یعنی میله ی الا آکلنگ به عنوان یک اهرم عمل می کند.
در هر اهرم یک تکیه گاه یک بازوی محرک و یک بازوی مقاوم وجود دارد. اهرم ها را می توان بر حسب قرارگرفتن حمل تکیه گاه، نیروی محرک و نیروی مقاوم به شکل های زیر در نظر گرفت.
مزیت مکانیکی اهرم همچون هر ماشین دیگری از معامله ی مزیت مکانیکی بدست می آید. البته در صورتیکه از اصطکاک صرف نظر کنیم مزیت الکتریکی اهرم را از معادله زیر نیز می توان محاسبه کرد :

طول بازوی محرک	مزیت مکانیکی اهرم =
طول بازوی مقاوم

قرقره :

قرقره یکی دیگر از ماشین های ساده است. هر قرقره محوری دارد که حول آن می تواند ازادانه بچرخد.

چرخ و محور:

چرخ و محور چرخی است که به مرکز آن یک میله وصل شده است. با چرخاندن چرخ میله نیز می چرخد.

در چرخ و محور معمولاً نیروی محرک را به چرخ و نیروی مقاوم را به محور وارد می کند. اما برعکس این حالت نیز امکان پذیراست. برای اینکه افزایش یا کاهش نیرو را در این دو حالت احساس کنید، آزمایش ص ۷۲ را انجام دهید.
در چرخ و محور بین شعاع (قطر) چرخ و شعاع (قطر) محوری نیروهایی که به چرخ و محور وارد می شود. رابطه ی زیر برقراراست:

نیرویی که بر محور وارد می شود	=	شعاع (قطر) چرخ
یرویی که بر چرخ وارد می شود		شعاع (قطر) محور

سطح شیبدار :

سطح شیبدار هم نوعی ماشین ساده است و سبب می شود که بتوانیم به کمک یک نیروی کم اما در مسافتی طولانی جسمی را به سمت بالا حرکت دهیم. در حالیکه ممکن است جابه جا کردن این جسم بطور مستقیم از سطح زمین بر روی سطح بالایی، در حد نیروی ما نباشد.

گره و پیچ:

گره و پیچ نیز جزء ماشین های ساده هستند و می توان آن ها را نوع سطح شیبدار به حساب آورد. چاقوی معمولی یک گره به حساب می آید. تیغه های قیچی نیز گره هستند. در واقع گره یک سطح شیبدار متحرک است. پیچ نیز سطح شیبداری است که بدور یک میله پیچیده شده است. از ترکیب پیچ گره، متد بوجود می آید.

بحث کنید .
در کدامیک از موارد زیر کار انجام می شود؟ چرا؟
شخص از نردبان بالا می رود؟

بله، زیرا وقتی شخص از نردبان بالا می رود در جهت نیرو حرکت می کند، در این صورت کار انجام می شود.

شخص روی صندلی می نشیند.
خیر، زیرا شخص ساکن است و حرکت نمی کند، پس کاری انجام نمی شود.

جرثقیل باری را به درون کامیون منتقل می کند.
بله. زیرا جرثقیل، به بار نیرویی را به بالا وارد می کند و بار به طرف بالا حرکت می کند و چون جسم در جهتی که نیرو به آن وارد می شود به حرکت در می آید ، در این صورت کار انجام می شود.

قطعه ای آهن به وسیله اره به دو قسمت تقسیم می شود.
خیر زرا وقتی قطعه ی آهن به دو قسمت تقسیم می شود ساکن است و حرکت نمی کند پس کاری انجام نمی شود.

تفسیر کنید
با توجه به دو عبارت زیر مشخص کنید که مقدار کار انجام شده به چه عواملی بستگی دارد؟
۱- وقتی یک وزنه بردار، وزنه ی ۱۵۰۰ نیوتونی (حدوداً ۱۵۰ کیلوگرمی) را بلند می کند، نسبت به هنگامی که وزنه ۱۲۰۰ نیوتونی را به بالای سر می برد، کار بیشتری انجام می دهد.
۲- وزنه برداربرای بلند کردن وزنه تا بالای سر نسبت به بلند کردن آن تا مقابل سینه خود، باید کار بیشتری انجام دهد.

از دو عبارت فوق دو نتیجه را می توان گرفت.
الف) مقدار کار انجام شده روی یک جسم به میزان نیرویی که بر جسم وارد می شود بستگی دارد.
ب) مقدار کارانجام شده روی یک جسم به اندازه جابه جایی جسم بستگی دارد.

فکر کنید :
آیا می دانید از یکسان بودن یکای اندازه گیری کار (ژول) چه نتیجه ای می توان گرفت؟

نتیجه می گیریم که کار شکلی از انرژی است و می توان گفت انرژی توانایی انجام کار است.

جمع آوری اطلاعات
توان مصرفی بیشتر وسیله های برقی چگونه مشخص می شود؟
توان مصرفی آن ها بر حسب وات روی بدنه ی آنها نوشته شده است.

آیا همه وسایل برقی مشابه، مثلاً همه ی یخچال ها مصرف برق مشابهی دارند؟
خیر، زیرا ظرفیت مصرف انرژی آن ها بر حسب کاری که انجام می دهند متفاوت است.

به نظر شما هنگام خرید وسیله های برقی به چه نکاتی باید توجه کرد؟ چرا؟
هنگام خرید وسیله های برقی باید به توان مصرفی دستگاه و حجم کاری آن توجه کرد. چون توان مصرفی ، میزان انرژی مصرفی دستگاه رادر هر ثانیه نشان می دهد.

فکر کنید :
برای آسان ترکردن کارهای زیر از چه وسیله هایی استفاده می کنید.
بلند کردن ماشین برای تعویض چرخ : جک
بریدن درخت : اره
بستن پیچ یا باز کردن آن آچار پیچ گوشتی
بازکردن در بطری نوشابه : در باز کن

فکر کنید :‌
تعدادی ماشین را نام ببرید و بگوئید هر کدام به چه طریق به ما کمک می کنند؟
دوچرخه با افزایش مسافت اثر نیرو به ما کمک می کند. اهرم با افزایش مقدار نیروی در بلند کردن اجسام به ما کمک می کند. استفاده از قرقره برای بالابردن مصالح ساختمانی با تغییر جهت دادن نیروی وارد بر طناب به ما کمک می کند.

فکر کنید
چگونه می توان بازده یک ماشین را به عنوان یک ملاک برای کیفیت عملکرد آن را در نظر گرفت ؟
با توجه به اینکه بازده ماشین نسبت به کار مفید به کل انرژی داده شده به ماشین است . پس هر چه بازده یک ماشین بالاتر باشد. کیفیت عملکرد آن بهتراست، زیرا به ازاء انرژی معینی کار مفید بیشتری انجام می دهد.

فکر کنید
همیشه مزیت مکانیکی اهرم نوع دوم بیشتر از یک و مزیت مکانیکی اهرم نوع سوم کمتر از یک است. یعنی اهرم نوع دوم،نیرو را افزایش می دهد . در حالی که اهرم نوع سوم نیرو را کاهش می دهد. به نظر شما، مزیت مکانیکی اهرم نوع اول چگونه است؟ چرا؟
مزیت مکانیکی اهرم نوع اول برابر یک است. زیرا طول بازوی مقاوم برابر طول بازوی محرک است.

محاسبه کنید
۱ – هرم بزرگ در حدود ۱۴۰ متر ارتفاع دارد. برای بردن یک سنگ متوسط به بالای این اهرم چقدر کار باید انجام شود؟

(kg) 2500= 1000×۵/۲ = جرم سنگ
(N) 2500= 10×۲۵۰۰= ۱۰× جرم سنگ = نیرو
(N) 2500= نیرو
(m) 140 = جابه جایی
(j)106×۵/۳=۱۴۰×۲۵۰۰۰= جابه جایی × نیرو = مقدار کار انجام شده

اطلاعات جمع آوری کنید برای سطح شیبدار ،‌گره و پیچ در زندگی مثال هایی ذکر کنید و بگوئید هر کدام چگونه به ما کمک می کنند؟
الف) برای سطح شیبدار می توان راه پله ی ساختمان را مثال زد که با افزایش مسافت با نیروی کم می توان به طبقه بالاتر رفت.
ب) برای گره می توان چاقوی معمولی را مثال زد. چاقو در سطح شیبدار به هم چسبیده است که لبه ی تیزی دارد و در بریدن به ما کمک می کند.
پ) برای پیچ می توان پیچ مایه ی یخچال را مثال زد که با پیچاندن آن می توان ارتفاع یخچال را تغییر داد.