بخش سوم
انرژي ،‌زندگي

در علم فيزيك كار دقيقاً همان معنايي را كه روزانه از آن استفاده مي كنيم ندارد. مثلاً گاهي مي گوئيم هيچ كاري انجام نشده است. در حاليكه از نظر فيزيكي كار انجام شده است و بر عكس گاهي از نظر فيزيكي كاري انجام نشده است. ميدانيد وقتي به يك جسم ساكن نيرو وارد شود، ممكن است جسم در جهتي كه نير بر آن وارد مي شود به حركت درآيد. در اين صورت مي گوئيم نيرو روي جسم كار انجام داده است.
البته فقط در هنگام به حركت درآوردن اجسام ساكن كار انجام نمي شود. بلكه اگر نيرويي بر يك جسم متحرك نيز وارد شود، ممكن است سرعت يا جهت حركت جسم،‌در جهت وارد شدن نيرو تغيير كند. در چنين حالتي هم كار انجام مي شود،‌گاهي بر يك جسم نيرو وارد مي شود ولي چون جسم به حركت در نمي آيد، در واقع كاري انجام نشده است.

براي مثال وقتي يك وزنه بردار،‌وزنه اي را از روي زمين بلند مي كند و به بالاي سرش مي برد، كار انجام مي دهد اما زماني كه وزنه را بالاي سر خود نگه مي دارد، ديگر از نظر فيزيكي كاري انجام نداده است. ممكن است تصور كنيد كه در اين حالت وزنه بردار انرژي مصرف مي كند و در نتيجه، به سرعت خسته مي شود، بله اين امر كاملاً درست است اما بايد توجه داشت كه در اين حالت ،‌انرژي وزنه بردار صرف فعاليت هاي داخلي بدن او مي شود ولي بر روي ج سم كاري انجام نمي شود. زيرا جسم در اين حالت ساكن است و هيچ گونه حركتي ندارد. وقتي براي بلند كردن يك وزنه يا نگهداشتن آن تلاش مي كنيد، ماهيچه هاي شما مرتباً برا ثر پيام هاي عصبي كه از مغز دريافت مي كند منقبض مي شود. در ماهيچه ها با هر بار انقباض،‌تعداد بسيار كمي كار انجام مي شود. در طول چند ثانيه، تعداد انقباض ها به هزاران بار مي رسد و در نتيجه در مجموعه تعداد بسيار زيادي كار انجام مي شود.
هم چنين گاهي نيرويي بر يك جسم وارد مي شود اما جسم در جهت وارد شدن نيرو حركت نمي كند، مثلآً فردي را در نظر بگيريد كه جعبه چوبي سنگيني را در دست دارد و آن را در جهت افقي حركت مي دهد. در اين حالت فرد دو نيرو بر جسم اثر مي كند، يك نيرو درست برابر با نيروي وزن جسم اما در جهت بالا (خلاف جهت گرانش) به منظور نگهداشتن جسم و جلوگيري از افتادن آن بر روي زمين و نيروي ديگري بصورت افقي بهمنظور به حركت درآوردن جسم به طرف جلو.
نيروي اول كار انجام نميدهد چون در جهت وارد شدن آن، جسم جابه جا نمي شود، اما نيروي دوم يعني نيرويي كه از سوي فرد براي به حركت درآوردن جسم به طرف جلو وارد مي شود، كار انجام مي دهد.

  محاسبه اندازه گيري كار :

براي محاسبه مقدار كار انجام شده مي توان از معادله ي زير استفاده كرد:
جابجايي × نيرو = كار
اين معادله نشان ميدهد كه مقدار كار انجام شده روي يك جسم به ميزان نيرويي كه بر جسم وارد مي شود و كار انجام مي دهد و نيز اندازه ي جابجايي جسم بستگي دارد و هر چه اين دو بيشتر باشند، مقدار كار انجام شده نيز بيشتر است.
در اين معادله، نيرو بر حسب نيوت ن(N) جابجايي بر حسب متر (M) و مقدار كار بر حسب ژول (J) است.
به خاطر داشته باشيد كه وزن هر جسم بر روي زمين، نيروي گرانشي است كه از طرف زمين بر آن جسم وارد مي شود و از نظر عددي،‌تقريباً مساوي با ده برابر جرم آن جسم بر حسب كيلوگرم است يعني :
10× جرم جسم بر حسب كيلوگرم = وزن جسم بر حسب نيوتون  

  كار و انرژي :

از سالهاي قبل ب انرژيهاي گوناگون هم چون انرژي پتانسيل ، جنبشي، الكتريكي تابشي، مكانيكي، صوتي، گرمايي، شيميايي و هسته اي آشنا شويد. هم چنين دانستيد كه براي اندازه گيري انرژي از يكاي ژول، استفاده مي شود. مثلاً اگر جسمي به وزن يك نيوتون در فاصله ي متري سطح مين قرار داشته باشد. مقدار انرژي پتانسيل گرانشي آن نسبت به سطح زمين برابر با يك ژول است.
انرژي و كار به يكديگر كاملاً مربوطند. بطوريكه مي توان گفت: هر گاه كاري انجام شود ممكن است حالت هاي زير براي انرژي پيش آيد:
1- هنگام انجام كار،‌انرژي از صورتي يا نوعي به صورت يا نوع ديگر تبديل مي شود.

2 – هنگام انجام كار، انرژي از يك جسم به جسم ديگر انتقال يابد

در فيزيك انرژي چنين تعريف مي شود: انرژي توانايي انجام كار است. طبق اين تعريف اگر جسمي انرژي داشته باشد، مي تواند كار انجام دهد. البته گاهي يافتن راهي براي عملي ساختن اين امر مشكل است. يعني بعضي اوقات ممكن است جسمي انرژيداتشه باشد اما آزاد سازي انرژي آن و به حركت درآوردن اجسام بوسيله ي آن كار آساني نباشد، مثلاً در هسته ي اتم ها انرژي فراواني ذخيره شده است اما آزادسازي اين انرژي و انجام كار به وسيله آن نيازمند فناوري در سطح بالاست. همانطور كه گفته شد كار و انرژي ارتباط بسيار نزديكي با هم دارند. بطوري كه مي توان گفت هر كاري كه انجام مي شود حتماً انجام كار باتبديل انرژي همراه است و با انرژي از جسمي به جسم ديگر انتقال يافته است. هم چنين هر گاه جسمي داراي انرژي باشد مي توان در صورت ايجاد شرايط مناسب به كمك آن انرژي جسمي را به حركت درآورد.  

  توان، سرعت انجام كار:

هنگام بالا دويدن از پله ها، درست به اندازه ي بالارفتن آهسته و قدم به قدم كار انجام مي شود. هم چنين كار انجام شده به وسيله دو دونده ي دوي صدمتر تقريباً با هم برابراست در حاليكه فقط يكي از آن ها به عنوان برنده اعلام مي شود. در زندگي ما مدت زمان كه طول مي كشد تا كاري معين انجام شود يكي از عوامل مهم در انجام آن كار به شمار مي آيد. ما اين عامل را در فيزيك با نام توان مي شناسيم . توان به معني سرعت انجام كار است. به عبارت ديگر توان نشان دهنده ي ميزان كار انجم شده در واحد زمان است. سرعت انجام كار به وسيله دونده اي كه مسير مسابقه را زودتر طي مي كند بيشتر است. به عبارت ديگر توان اين دونده از دونده ي ديگربيشتر است.
براي محاسبه توان از معدله زير كه به آن معادله توان مي گوئيم، استفاده كنيم.

در اين معادله مقدار كار انجام شده بر حسب ژول (J) مقدار زمان انجام كار بر حسب ثانيه (S) و توان بر حسب وات (W) است.
يك وات توان ماشيني است كه در مدت يك ثانيه يك ژول كار انجام ميدهد. مفهوم توان هم براي نشان دادن سرعت انجام كار توسط يك فرد يا يك ماشين و هم براي مشخص كردن سرعت توليد يا مصرف انرژي بوسيله دستگاهها استفاده مي شود. مثلاً وقتي گوئيم توان يك لامپ برقي 100 وات است يعني در هر ثانيه 100 ژول انرژي الكتريكي توسط اين لامپ مصرف و مطابق قانون پايستگي انرژي 100 ژول انرژي گرمايي و تابشي (نور) به وسيله آن توليد مي شود.
شايد تصور كنيد كه استفاده از جك براي بلند كردن اتومبيل سبب مي شود كه ما كار كم تري براي بلند كردن آن انجام دهيم اما هرگز چنين نيست . طبق معادله كار ، براي بلند كردن اتومبيل، بايد مقدار معين كار انجام مي شود و اين مقدار با به كارگيري جك كاهش پيدا نمي كند. جك تنها كار را آسانتر مي كند. جك به شما كمك مي كند تا با نيرويي در حدود 100 نيوتون اتومبيل را بلند كنيد.به وسايلي كه در انجام كارها به ما كمك مي كنند تا كارها آسانتر انجام شود ماشين گفته مي شود مانند جك اتومبيل. ماشين ها به صورت هاي گوناگون در انجام كارها به ما كمك مي كنند. يكي از راه هاي كمك ماشين ها به ما ،تغيير محل وارد شدن نيرو به جسم و گاهي نيز تغيير جهت نيرو است.
هم چنين ماشين ها گاهي با افزايش مقدار نيرو به ما كمك مي كنند كه كارهايي را كه نمي توانيم انجام دهيم يا انجام آنها ممكن است سخت باشد به آساني انجام دهيم. گاهي هم با افزايش مسافت اثر نيرو بر جسم و افزايش سرعت انجام كارماشين ها به ما كمك مي كنند.
بعضي ديگر از ماشين ها به جاي افزايش نيرو. مسافتي را كه نيرو بر آن اثر مي كند افزايش مي دهند.  

  مزيت مكانيكي يك ماشين :

ماشين ها مي توانند مقدار نيرويي كه به آن ها وارد مي شود. افزايش يا كاهش دهنده مزيت مكانيكي يك ماشين نسبت بين نيرويي كه ماشين به جسم وارد مي كند نيرويي كه به ماشين وارد مي شود را نشان مي دهد. مزيت مكانيكي يك ماشين از طريق معادله ي زير بدست مي آيد:

مزيت مكانيكي نشان مي دهد كه ماشين، نيروي وارده را چند برابر مي كند.  

  كار داده شده و كار گرفته شده از ماشين :

همان طور كه مشاهده مي شود وقتي كه شخص جعبه را مستقيماًاز روي زمين به داخل كاميون منتقل مي كند نيروي بيشتري را بكار مي برد اما مقدار جابجايي بار كم تراست. در نتيجه مقدار كار با حالتي كه فرد با استفاده از نيروي كم تر، همراه با جابه جايي بيشتر بار را به داخل كاميون مي برد. در مقايسه با حالت قبل – برابر است . يعني مقدار كلي كار انجام شده در هر دو حالت مساوي است و مي توان نتيه گرفت كه ماشين (سطح شيبدار) در مقدار كار انجام شده ، كاهش ايجاد نمي كند، بلكه فقط انجام كار را آسان تر مي نمايد.
مطابق قانون «پايستگي انرژي» هنگام تبديل شدن از يك صورت به صورت ديگر يا انتقال از يك جسم به جسم ديگر خلق و نابود نمي شود، بنابراين مقدار انرژي داده شده به يك ماشين نيز هميشه بامقدار انرژي كه از ماشين گرفته مي شود برابراست.
(انرژي گرفته شده از ماشين = انرژي داده شده به ماشين)
البته معمولاً مقداري از انرژي داده شده به ماشين ، صرف انجام كار مورد نظر مي شود كه به آن كار مفيد مي گوئيم. بقيه آن به صورت هاي مختلف مثلاً به صورت گرماي ناشي از اصطكاك هدر مي رود. به اين مقدار از انرژي به هدر رفته، انرژي تلف شده گفته مي شود.
در هر وسيله ميتوان نسبت كار مفيد به كل انرژي داده شده به دستگاه را به عنوان يك عامل مهم در كيفيت آن وسيله در نظر گرفت اين نسبت بازده نام دارد. به معادله ي زير توجه كنيد:

نظرات شما عزیزان:

نام :

آدرس ایمیل:

وب سایت/بلاگ :

متن پیام:

نظر خصوصی

 کد را وارد نمایید:

 

 

 

عکس شما

آپلود عکس دلخواه: