4-2 الآلات Machines - كتاب الفيزياء - الصف 11 - الفصل 1 - المملكة العربية السعودية

📚 4-2 الآلات (Machines)

المفاهيم الأساسية

الآلة: أداة تسهل أداء المهام بتغيير مقدار القوة أو اتجاهها.

الشغل المبذول (Wᵢ): الشغل الذي يبذله الشخص على الآلة.

الشغل الناتج (Wₒ): الشغل الذي تبذله الآلة على الحمل.

القوة (المسلطة) (F): القوة التي يؤثر بها الشخص على الآلة.

المقاومة (Fᵣ): القوة التي تؤثر بها الآلة على الحمل.

الفائدة الميكانيكية (MA): نسبة المقاومة إلى القوة (MA = Fᵣ / F).

خريطة المفاهيم

```markmap

الفصل: الشغل والطاقة والآلات البسيطة

4-1 الطاقة والشغل

الشغل بقوة مائلة

#### شروط الشغل

• شغل موجب: يزيد طاقة النظام.
• شغل سالب: ينقص طاقة النظام (مثال: الاحتكاك).
• شغل صفري: عندما تكون القوة ⟂ الإزاحة (θ = 90°).

#### مثال تطبيقي: قوى تؤثر على سيارة مدفوعة

• قوة الجاذبية (Fg): إلى أسفل ⟂ الحركة → شغل = 0.
• قوة رد الفعل العمودية (FN): إلى أعلى ⟂ الحركة → شغل = 0.
• قوة الاحتكاك: أفقية عكس الحركة (θ = 180°) → شغل سالب.

استراتيجية حل مسائل الشغل

ارسم مخططاً للنظام وحدد القوى المبذولة للشغل.

ارسم متجهات القوة والإزاحة.

أوجد الزاوية θ بين كل قوة والإزاحة.

احسب الشغل لكل قوة: W = Fd \cos \theta

احسب الشغل الكلي وحدد الإشارة بناءً على تغير طاقة النظام.

مثال 1: قرص هوكي

#### تحليل المسألة

• المعلوم: m = 105 g， F = 4.50 N， d = 0.150 m
• المجهول: W = ?، ΔKE = ?
• الرسم: مخطط يوضح القوة (F) والإزاحة (d) في نفس الاتجاه (+x).

#### الحل

حساب الشغل: W = Fd = (4.50)(0.150) = 0.675 J

حساب التغير في الطاقة: W = ΔKE، إذن ΔKE = 0.675 J

#### تقويم الجواب

• الوحدات صحيحة (الجول).
• الإشارة موجبة لأن القوة الخارجية تبذل شغلاً على النظام.

مثال 2: بحار يسحب قاربًا

#### تحليل المسألة

• المعلوم: F = 255 N， d = 30.0 m， θ = 25.0°
• المجهول: W = ?
• الرسم: مخطط متجهات يوضح القوة (F) ومركبتها الأفقية (F cos θ) والإزاحة (d).

#### الحل

حساب الشغل: W = Fd \cos \theta = (255)(30.0)(\cos 25.0°) = 6.93 \times 10^3 J

#### تقويم الجواب

• الوحدات صحيحة (الجول).
• الإشارة موجبة (البحار يبذل شغلاً على القارب).

مسائل تدريبية (تطبيق)

#### 1. قرص الهوكي (بناءً على مثال 1)

• a: تأثير مضاعفة القوة على التغير في الطاقة الحركية.
• b: تأثير تقليل المسافة على التغير في الطاقة الحركية.

#### 2. طالبان يدفعان سيارة

• a: حساب الشغل المبذول.
• b: تأثير مضاعفة القوة على الشغل المبذول لنفس المسافة.

#### 3. متسلق يحمل حقيبة

• a: الشغل المبذول على الحقيبة.
• b: الشغل المبذول لرفع نفسه والحقيبة.
• c: التغير في طاقة المتسلق والحقيبة.

إيجاد الشغل المبذول عندما تتغير القوى المؤثرة

#### الطريقة البيانية

• الرسم البياني (القوة - الإزاحة) يمكن استخدامه لحساب الشغل.
• المساحة تحت المنحنى تساوي مقدار الشغل المبذول.

#### حالات خاصة

• قوة ثابتة: الشغل = المساحة المستطيلة تحت المنحنى.

- مثال: W = Fd = (20.0 N)(1.50 m) = 30.0 J

• قوة متغيرة خطياً (مثل قوة النابض): الشغل = مساحة المثلث تحت المنحنى.

- مثال: W = \frac{1}{2} (20.0 N)(1.50 m) = 15.0 J

الشغل الذي تبذله عدة قوى

• نظرية الشغل - الطاقة: تربط بين الشغل الكلي المبذول على نظام والتغير في طاقته الحركية.
• طريقة الحساب: احسب الشغل الذي تبذله كل قوة على حدة، ثم اجمع النتائج.

4-2 القدرة (Power)

تعريف القدرة

• المفهوم: المعدل الزمني لبذل الشغل.
• المعادلة: P = \frac{W}{t}

الفرق بين الشغل والقدرة

• الشغل: كمية الطاقة المنقولة.
• القدرة: سرعة نقل الطاقة (معدل بذل الشغل).

مثال توضيحي (الشكل 6-4)

• الموقف: ثلاثة طلاب كتلهم متساوية يصعدون السلم.
• التحليل:

- الشغل المبذول: متساوي (لأن الكتل والإزاحة متساوية).

- القدرة: مختلفة.

- طالب منفرد (أسرع): قدرته أكبر (يُنجز نفس الشغل في وقت أقل).

- طالبان معاً (بنفس السرعة): قدرتهما متساوية (يُنجزان نفس الشغل في نفس الوقت).

وحدات قياس القدرة

• الواط (W): الواط الواحد = نقل 1 جول من الطاقة خلال 1 ثانية.
• الكيلوواط (kW): 1 kW = 1000 W
• الحصان الميكانيكي: 1 حصان = 746 W

مثال 3: محرك يرفع مصعدًا

#### تحليل المسألة

• المعلوم: d = 9.00 m， t = 15.0 s， F = 1.20×10⁴ N
• المجهول: P = ? (بوحدة kW)
• الرسم: مخطط يوضح المصعد يتحرك لأعلى (+y) تحت تأثير قوة (F) في اتجاه الإزاحة (d).

#### الحل

استخدام معادلة القدرة: P = \frac{W}{t} = \frac{Fd}{t}

التعويض: P = \frac{(1.20×10⁴ N)(9.00 m)}{15.0 s} = 7.20 kW

#### تقويم الجواب

• الوحدات صحيحة (القدرة تقاس بـ J/s أو W).
• الإشارة موجبة وتتفق مع اتجاه القوة لأعلى.

مسائل تدريبية (تطبيق)

#### 9. رفع صندوق

• المعلوم: الوزن = 575 N， d = 20.0 m، t = 10.0 s
• المطلوب: القدرة بوحدة W و kW.

#### 10. دفع عربة يدوية

• المعلوم: d = 60.0 m، t = 25.0 s، F = 145 N
• المطلوب:

- a: القدرة المبذولة.

- b: القدرة إذا تحركت العربة بضعف السرعة.

#### 11. مضخة مياه

• المعلوم: حجم الماء = 35 L/دقيقة، العمق = 110 m، (1 L = 1.00 kg)
• المطلوب: القدرة المبذولة.

#### 12. محرك يرفع مصعدًا

• المعلوم: P = 65 kW، d = 17.5 m، t = 35 s
• المطلوب: مقدار القوة (F).

تطبيقات القدرة

#### العلاقة بين القوة والسرعة

• معادلة القدرة: P = Fv
• أقصى قدرة: لا يمكن تحقيقها عند أقصى قوة أو أقصى سرعة وحدها، بل عند مزيج معتدل منهما.

#### مثال: الدراجة الهوائية متعددة السرعات

• الوظيفة: تضخيم قدرة راكب الدراجة.
• الرسم البياني (الشكل 8-4):

- المنحنى الأحمر: العلاقة بين السرعة والقوة (تتناقص السرعة بزيادة القوة).

- المنحنى الأخضر: العلاقة بين القدرة الناتجة والقوة (تزداد القدرة حتى قيمة قصوى ثم تتناقص).

- أقصى قدرة: تحدث عند قوة مقدارها 400 N تقريبًا وسرعة 2.6 m/s تقريبًا، وتنتج قدرة تفوق 1000 W.

#### محددات المحركات والعضلات

• المحركات والعضلات: لها حدود قصوى للقوة والسرعة يمكنها توليدها.
• تصميم الآلات البسيطة: يهدف إلى التوفيق بين القوة والسرعة التي يولدها المحرك مع متطلبات العمل المطلوب، دون تجاوز حدود المحرك.

4-2 الآلات (Machines)

فوائد الآلات

• تسهيل أداء المهام.
• تخفيف الحمل بتغيير مقدار القوة أو اتجاهها.

أنواع الآلات

• بسيطة: مثل فتاحة الزجاجات ومفك البراغي.
• مركبة: مثل الدراجة الهوائية والسيارة.

الشغل والطاقة في الآلات

• الشغل المبذول (Wᵢ): شغل الشخص على الآلة.
• الشغل الناتج (Wₒ): شغل الآلة على الحمل.
• القاعدة: Wₒ \leq Wᵢ (الشغل الناتج لا يمكن أن يكون أكبر من الشغل المبذول).

الفائدة الميكانيكية

• المعادلة: MA = \frac{Fᵣ}{F}
• القوة (F): القوة المسلطة من الشخص.
• المقاومة (Fᵣ): القوة التي تؤثر بها الآلة.

الأهداف (من الصفحة)

• توضيح فوائد الآلات البسيطة.
• المقارنة بين كفاءة الآلات المثالية والحقيقية.
• تحليل الآلات المركبة وبيان الآلات البسيطة المكونة منها.
• حساب كفاءة الآلات البسيطة والمركبة.

4-1 مراجعة (تمارين)

تمارين تطبيقية على الشغل

• 15: حساب الشغل المبذول لدفع جسم بقوة أفقية.
• 16: حساب الشغل المبذول لدفع ثلاجة لأعلى لوح مائل عديم الاحتكاك.
• 17: العلاقة بين الشغل والقدرة وسرعة الرفع.
• 19: حساب شغل قوة الجاذبية على كرة ساقطة.
• 20: إيجاد الكتلة من الشغل المبذول لرفع صندوق.
• 21: مقارنة الشغل المبذول عبر مسارين مختلفين.

تمارين تطبيقية على القدرة

• 18: حساب القدرة من رفع مصعد لكتلة معينة في زمن محدد.

تمارين على الطاقة الحركية والتفكير الناقد

• 22: العلاقة بين تضاعف الطاقة الحركية وتغير السرعة.
• 23: كيفية إيجاد التغير في طاقة نظام تؤثر فيه ثلاث قوى.

```

نقاط مهمة

• الآلات لا تقلل من الشغل اللازم، بل تسهله وتغير خصائص القوة.
• الآلة ليست مصدر طاقة، بل ناقل لها.
• مثال تطبيقي: فتاحة الزجاجات (الشكل 9-4) توضح انتقال الطاقة من الشخص إلى الآلة ثم إلى الغطاء.

4-2 الآلات Machines

يستخدم الناس الآلات يوميا، فبعضها أدوات بسيطة، ومنها فتاحة الزجاجات ومفك البراغي، وبعضها الآخر مركبًا، ومنها الدراجة الهوائية والسيارة. وسواء كانت هذه الآلات تدار بالمحركات أم بقوى بشرية فهي تؤدي في النهاية إلى تسهيل أداء المهام، كما تؤدي الآلة إلى تخفيف الحمل، وذلك بتغيير مقدار القوة أو اتجاهها؛ حتى تتناسب القوة مع مقدرة الآلة أو الشخص.

الأهداف

• توضح فوائد الآلات البسيطة. • قارن بين كفاءة الآلات المثالية والحقيقية. • تحلل الآلات المركبة مبيناً الآلات البسيطة التي تكونت منها. • تحسب كفاءة الآلات البسيطة والمركبة.

Benefits of Machines فوائد الآلات

لندرس فتاحة الزجاجات المبينة في الشكل 9-4، فعندما تستخدم هذه الأداة فإنك ترفع طرفها البعيد، لذا تكون قد بذلت شغلا على الفتاحة، التي بدورها تبذل شغلا على الغطاء عندما ترفعه. ويُسمى الشغل الذي بذلته أنت في هذه الحالة الشغل المبذول ، أما الشغل الذي بذلته الأداة فيسمى الشغل الناتج W. تذكر أن الشغل هو عملية انتقال الطاقة بالطرائق الميكانيكية. فأنت خزنت شغلاً في الأداة كفتاحة الزجاجات مثلاً؛ لذا تكون قد نقلت طاقة إلى هذه الأداة. وفي المقابل بذلت فتاحة الزجاجات شغلاً على الغطاء؛ ولذا فقد نقلت الطاقة إليه. لا تعد فتاحة الزجاجات مصدر طاقة، ولذلك لا يكتسب الغطاء طاقة تزيد على كمية الطاقة التي خزنتها في فتاحة الزجاجات. وهذا يعني أن الشغل الناتج لا يمكن أن يكون أكبر من الشغل المبذول. الفائدة الميكانيكية إن القوة التي أثرت في الآلة بواسطة شخص ما تسمى القوة المسلطة F (المبذولة)، أو اختصارًا القوة. أما القوة التي أثرت بها الآلة فتسمى المقاومة F. يبين لنا الشكل 9- أن F (القوة) هي قوة رأسية إلى أعلى أثرت بواسطة الشخص عند استخدام فتاحة الزجاجات، وأن (المقاومة) F هي قوة رأسية إلى أعلى أثرت بواسطة فتاحة الزجاجات، وتُسمى نسبة المقاومة إلى القوة الفائدة الميكانيكية MA للآلة.

المفردات

الآلة القوة (المسلطة) المقاومة الفائدة الميكانيكية الفائدة الميكانيكية المثالية الكفاءة الآلة المركبة

الشكل 9-4 تعد فتاحة الزجاجات مثالاً على الآلات البسيطة؛ إذ تسهل عملية فتح الزجاجات، ولكنها لا تقلل من الشغل اللازم لذلك.

تساعد الآلة على نقل الطاقة من الشخص إلى فتاحة الزجاجات بصورة بسيطة.

--- SECTION: 4-2 الآلات Machines --- 4-2 الآلات Machines يستخدم الناس الآلات يوميا، فبعضها أدوات بسيطة، ومنها فتاحة الزجاجات ومفك البراغي، وبعضها الآخر مركبًا، ومنها الدراجة الهوائية والسيارة. وسواء كانت هذه الآلات تدار بالمحركات أم بقوى بشرية فهي تؤدي في النهاية إلى تسهيل أداء المهام، كما تؤدي الآلة إلى تخفيف الحمل، وذلك بتغيير مقدار القوة أو اتجاهها؛ حتى تتناسب القوة مع مقدرة الآلة أو الشخص. --- SECTION: الأهداف --- الأهداف • توضح فوائد الآلات البسيطة. • قارن بين كفاءة الآلات المثالية والحقيقية. • تحلل الآلات المركبة مبيناً الآلات البسيطة التي تكونت منها. • تحسب كفاءة الآلات البسيطة والمركبة. --- SECTION: Benefits of Machines فوائد الآلات --- Benefits of Machines فوائد الآلات لندرس فتاحة الزجاجات المبينة في الشكل 9-4، فعندما تستخدم هذه الأداة فإنك ترفع طرفها البعيد، لذا تكون قد بذلت شغلا على الفتاحة، التي بدورها تبذل شغلا على الغطاء عندما ترفعه. ويُسمى الشغل الذي بذلته أنت في هذه الحالة الشغل المبذول ، أما الشغل الذي بذلته الأداة فيسمى الشغل الناتج W. تذكر أن الشغل هو عملية انتقال الطاقة بالطرائق الميكانيكية. فأنت خزنت شغلاً في الأداة كفتاحة الزجاجات مثلاً؛ لذا تكون قد نقلت طاقة إلى هذه الأداة. وفي المقابل بذلت فتاحة الزجاجات شغلاً على الغطاء؛ ولذا فقد نقلت الطاقة إليه. لا تعد فتاحة الزجاجات مصدر طاقة، ولذلك لا يكتسب الغطاء طاقة تزيد على كمية الطاقة التي خزنتها في فتاحة الزجاجات. وهذا يعني أن الشغل الناتج لا يمكن أن يكون أكبر من الشغل المبذول. الفائدة الميكانيكية إن القوة التي أثرت في الآلة بواسطة شخص ما تسمى القوة المسلطة F (المبذولة)، أو اختصارًا القوة. أما القوة التي أثرت بها الآلة فتسمى المقاومة F. يبين لنا الشكل 9- أن F (القوة) هي قوة رأسية إلى أعلى أثرت بواسطة الشخص عند استخدام فتاحة الزجاجات، وأن (المقاومة) F هي قوة رأسية إلى أعلى أثرت بواسطة فتاحة الزجاجات، وتُسمى نسبة المقاومة إلى القوة الفائدة الميكانيكية MA للآلة. --- SECTION: المفردات --- المفردات الآلة القوة (المسلطة) المقاومة الفائدة الميكانيكية الفائدة الميكانيكية المثالية الكفاءة الآلة المركبة الشكل 9-4 تعد فتاحة الزجاجات مثالاً على الآلات البسيطة؛ إذ تسهل عملية فتح الزجاجات، ولكنها لا تقلل من الشغل اللازم لذلك. تساعد الآلة على نقل الطاقة من الشخص إلى فتاحة الزجاجات بصورة بسيطة. --- VISUAL CONTEXT --- **FIGURE**: فتاحة الزجاجات Description: Image showing a person using a bottle opener to open a bottle. The force applied by the person is labeled F, and the force exerted by the bottle opener is labeled Fr. Table Structure: Headers: N/A Context: Illustrates the concept of force and resistance in simple machines. **FIGURE**: فتاحة الزجاجات Description: Image showing a person using a bottle opener to open a bottle. The force applied by the person is labeled F, and the force exerted by the bottle opener is labeled Fr. The distance from the fulcrum to the point where the force is applied is labeled d. Table Structure: Headers: N/A Context: Illustrates the concept of force and resistance in simple machines. **FIGURE**: فتاحة الزجاجات Description: Image showing a person using a bottle opener to open a bottle. The force applied by the person is labeled F, and the force exerted by the bottle opener is labeled Fr. Table Structure: Headers: N/A Context: Illustrates the concept of force and resistance in simple machines.