كيف تستطيع زيادة الفائدة الميكانيكية المثالية لآلة؟

بزيادة النسبة $\frac{d_e}{d_r}$ لزيادة لفائدة الميكانيكية المثالية IMA للآلة.

حلول اتقان المفاهيم وتطبيق المفاهيم

خريطة المفاهيم:

34. كوّن خريطة المفاهيم مستخدماً المصطلحات الآتية: القوة، الإزاحة، اتجاه الحركة، الشغل، التغيّر في الطاقة الحركية.

إتقان المفاهيم

(3-1)

35. ما وحدة قياس الشغل؟

الجول.

36. افترض أن قمراً صناعياً يدور حول الأرض في مدار دائري، فهل تبذل قوة الجاذبية الأرضية أي شغل على القمر؟

لا، إن قوة الجاذبية تتجه نحو مركز الأرض ومتعامدة مع اتجاه إزاحة القمر الصناعي.

37. ينزلق جسم بسرعة ثابتة على سطح عديم الاحتكاك، ما القوى المؤثرة في الجسم؟ وما مقدار الشغل الذي تبذله كل قوة؟

قوة الجاذبية وقوة رد الفعل الرأسية إلى أعلى فقط تؤثران في الجسم لا يبذل شغل لأن الإزاحة متعامدة مع هذه القوى.

38. عرّف كلاً من الشغل والقدرة؟

• الشغل: حاصل ضرب القوة في المسافة التي قطعها الجسم في اتجاه القوة.
• القدرة: هي المعدل الزمني لبذل الشغل.

39. ماذا تكافئ وحدة الواط بدلالة وحدات الكيلوجرام والمتر والثانية؟

kg.m²/s³

40ّ. وضح العلاقة بين الشغل المبذول والتغير في الطاقة.

الشغل المبذول يساوي التغير في الطاقة الحركية.

3-2

41. هل يمكن لآلة ما أن تُعطي شغلاً ناتجاً أكبر من الشغل المبذول عليها.

لا، لأن $e\le 100\mathrm{\%}$

42. فسر كيف يمكن اعتبار الدواسات التي في الدراجة الهوائية آلة بسيطة؟

تنقل الدواسة القوة من السائق إلى الدراجة خلال الدولاب والمحور.

تطبيق المفاهيم:

43. أي الحالتين الآتيتين تتطلب بذل شغل أكبر: حمل حقيبة ظهر وزنها 420 N إلى أعلى تل ارتفاعه 200 M، أو حمل حقيبة ظهر وزنها 210 N إلى أعلى تل ارتفاعه 400 M؟ ولماذا؟

كل منهما يحتاج إلى كمية الشغل نفسه لأنه حاصل ضرب القوة بالمسافة.

44. الرفع. يقع صندوق كتب تحت تأثير قوتين في أثناء رفعك له عن الأرض لتضعه على سطح طاولة؛ إذ تؤثر فيه الجاذبية الأرضية بقوة مقدارها (mg) إلى أسفل، وتؤثر فيه أنت بقوة مقدارها (mg) إلى أعلى ولأن هاتين القوتين متساويتان في المقدار ومتعاكستان في الاتجاه فيبدو كأنه لا يوجد شغل مبذول، ولكنك تعلم أنك بذلت شغلاً. فسِّر ما الشغل الذي بُذل؟

أنت بذلت شغلاً موجباً على الصندوق الآن القوة والحركة في الاتجاه نفسه، وقوة الجاذبية بذلت شغلاً سالباً على الصندوق لأن قوة الجاذبية في عكس اتجاه الحركة وكل من الشغل الذي بذلته الجاذبية الأرضية مستقل عن الآخر ولا يلغي إحداهما الآخر.

45. يحمل عامل صناديق كرتونية إلى أعلى السلم ثم يحمل صناديق مماثلة لها في الوزن إلى أسفله، غير أن معلم الفيزياء يرى أن هذا العامل لم "يشتغل" مطلقاً؛ لذا فإنه لا يستحق أجراً، فكيف يمكن أن يكون المعلم على صواب؟ وكيف يمكن إيجاد طريقة ليحصل بها العامل على أجره؟

الشغل المحصل يساوي الصفر لأن حمل صندوق الكرتون إلى الطابق الأعلى يتطلب بذل شغل موجب وحمله ثانية إلى أسفل يتطلب بذل شغل سالب والشغل المبذول في الحالتين متساوي في المقدار ومتعاكس في الإشارة لأن المسافتين في الحالتين متساويتان في المقدار ومتعاكستان في الاتجاه قد يحسب الطلاب أجر العامل على أساس الزمن الذي يحتاج إليه لحمل الصناديق أما إلى أعلى أو إلى أسفل وليس على أساس الشغل المبذول.

46. إذا حمل العامل في المسألة السابقة الكراتين إلى أسفل درج، ثم سار بها مسافة 15 M في ممر، فهل يبذل شغلاً الآن؟ فسّر إجابتك.

لا، القوى المؤثرة في الصناديق رأسية إلى أعلى والإزاحة أُفقية على امتداد الصندوق وهما متعامدتان ولا يبذل شغل في هذه الحالة.

47. صعود الدرج. يصعد شخصان لها الكتلة نفسها العدد نفسه من الدرجات، فإذا صعد الشخص الأول الدرجات خلال 25 S، وصعد الشخص الثاني الدرجات خلال 35 S،

a. فأيّ الشخصين بذل شغلاً أكبر؟ فسّر إجابتك.

يبذل الشخصين كمية الشغل نفسها لأنهما يصعدان عدد الدرجات نفسه ولهما الكتلة نفسها.

b. أي الشخصين أنتج قدرة أكثر؟ فسّر إجابتك.

الشخص الذي يصعد خلال 25 s يبذل قدرة أكبر لذا يحتاج زمن أقل لقطع المسافة.

48. وضح أن القدرة المنقولة يمكن كتابتها على النحو الآتي: $\cos \theta$p = Fv .

$p=\frac{w}{t}$

$\cos \theta$w = Fd

لذلك $\cos \frac{\theta }{t}$p = Fd $v=\frac{d}{t}$

فان $\cos \theta$p = Fv

49. كيف تستطيع زيادة الفائدة الميكانيكية المثالية لآلة؟

بزيادة النسبة $\frac{d_e}{d_r}$ لزيادة لفائدة الميكانيكية المثالية IMA للآلة.

50. الإسفين. كيف تستطيع زيادة الفائدة الميكانيكية للإسفين دون تغيير فائدته الميكانيكية المثالية؟

قلل الاحتكاك ما أمكن لتقليل قوة المقاومة.

51. المدارات. فسر لماذا لا يتعارض دوران كوكب حول الشمس مع نظرية الشغل والطاقة؟

أفرض مداراً دائرياً القوة العائدة إلى الجاذبية الأرضية متعامدة مع اتجاه الحركة وهذا يعني أن الشغل المبذول يساوي صفر ولأنه لا يوجد تغير في الطاقة الحركية للكوكب لذلك فإن سرعته لا تزيد ولا تنقص.

52. المطرقة ذات الكماشة. تستخدم المطرقة ذات الكماشة لسحب مسمار من قطعة خشب كما في الشكل 16-3. فأين ينبغي أن تضع يدك على المقبض؟ وأين ينبغي أن يكون موقع المسمار بالنسبة لطرفي الكمامة لجعل القوة (المسلطة) أقل ما يمكن؟

يجب أن تكون يدك بعيدة قدر الإمكان عن الرأس لجعل كبيره ما أمكن ويجب أن يكون المسمار قريب من الرأس قدر الإمكان لجعل صغيره ما أمكن.