Fislab
الرئيسية / الدروس / الشغل وعلاقته بالطاقة الحركية وحساب القدرة الميكانيكية

⚙️ الشغل وعلاقته بالطاقة الحركية وحساب القدرة الميكانيكية

Work and Its Relationship to Kinetic Energy and the Calculation of Mechanical Power
⏱️ 60 دقيقة 📂 الطاقة 🎯 مستوى متقدم

🎯 نواتج التعلم

🎯 Learning Outcomes

بعد دراسة هذا الدرس ستكون قادرًا على أن:

After this lesson you will be able to:

  1. تحسب الشغل \(W=Fd\cos\theta\) والطاقة الحركية \(K=\tfrac12mv^2\).Calculate work \(W=Fd\cos\theta\) and kinetic energy \(K=\tfrac12mv^2\).
  2. تطبّق نظرية الشغل والطاقة \(W_{tot}=\Delta K\) وتفسّر الشغل السالب.Apply the work-energy theorem \(W_{tot}=\Delta K\) and explain negative work.
  3. تحسب مسافة التوقف وقوة الاحتكاك وزمن التوقف من الطاقة الحركية.Find the stopping distance, the friction force and the stopping time from the kinetic energy.
  4. تحسب القدرة الميكانيكية \(P=W/t=Fv\) وتحوّلها إلى الحصان الميكانيكي.Calculate mechanical power \(P=W/t=Fv\) and convert it to horsepower.

🔫 الشغل والطاقة الحركية

🔫 Work and Kinetic Energy

عندما تتحرك رصاصة بسرعة ابتدائية فإنها تمتلك طاقة حركية. وعندما تدخل قطعة خشب تؤثر فيها قوة احتكاك تعاكس حركتها فتبذل شغلًا سالبًا يُنقص سرعتها حتى تتوقف. وهذا هو جوهر العلاقة بين الشغل والطاقة الحركية.

When a bullet moves with an initial speed it has kinetic energy. When it enters a block of wood a friction force opposing its motion does negative work that reduces its speed until it stops. This is the heart of the relationship between work and kinetic energy.

📌 المفاهيم الأساسية

📌 The basic concepts

\[W=F\,d\cos\theta,\qquad K=\tfrac12\,m\,v^2\]

\(W_{tot}=\Delta K=K_f-K_i\qquad\)(نظرية الشغل والطاقة)

\[W_{tot}=\Delta K=K_f-K_i\qquad\text{(the work-energy theorem)}\]

قوة الاحتكاك تعاكس الإزاحة (\(\theta=180^\circ\)، \(\cos180^\circ=-1\)) فيكون شغلها سالبًا. وإذا توقف الجسم فالطاقة النهائية صفر: \(W=-\tfrac12mv_0^2\).

Friction opposes the displacement (\(\theta=180^\circ\), \(\cos180^\circ=-1\)) so its work is negative. If the body stops the final energy is zero: \(W=-\tfrac12mv_0^2\).

📐 صيغ المحاكاة

📐 The formulas of the simulation

📌 مسافة الاختراق والزمن والقدرة

📌 Penetration distance, time and power

\[-F_k\,d=-\tfrac12mv_0^2\ \Rightarrow\ d=\frac{mv_0^2}{2F_k}\]

\[a=\frac{F_k}{m}\ \Rightarrow\ t=\frac{v_0}{a}=\frac{mv_0}{F_k},\qquad P=\frac{|W|}{t}=\frac{F_kv_0}{2}\]

كلما زادت قوة الاحتكاك قلّت المسافة (علاقة عكسية)، وكلما قلّ الزمن زادت القدرة.

The greater the friction force the shorter the distance (inverse relation), and the shorter the time the greater the power.


🧪 جرّب بنفسك: الرصاصة والخشب

🧪 Try It Yourself: the Bullet and the Wood

🧪 تجربة 1: رصاصة تخترق الخشب: الشغل يساوي تغير الطاقة الحركية

🧪 Experiment 1: A Bullet in Wood: Work Equals the Change in Kinetic Energy

غيّر الكتلة والسرعة وقوة الاحتكاك ثم اضغط «أطلق». تتحول الطاقة الحركية كلها إلى شغل سالب تبذله قوة الاحتكاك: \(d=mv^2/2F_k\) و\(t=mv/F_k\).

Change the mass, the speed and the friction force then press “Fire”. All the kinetic energy turns into negative work done by the friction force: \(d=mv^2/2F_k\) and \(t=mv/F_k\).

2
20
30
الطاقة الحركية \(K\) (J)Kinetic energy \(K\) (J)—
المسافة \(d\) (m)Distance \(d\) (m)—
الزمن \(t\) (s)Time \(t\) (s)—
الشغل \(W\) (J)Work \(W\) (J)—
القدرة \(P\) (W)Power \(P\) (W)—

❓ مثال 1Example 1

قذيفة كتلتها \(2\ \mathrm{kg}\) تتحرك بسرعة \(20\ \mathrm{m/s}\) تخترق قطعة خشب فتتوقف بعد \(10\ \mathrm m\). أوجد: الطاقة الحركية الابتدائية، والشغل، وقوة الاحتكاك، وزمن التوقف، والقدرة.

A bullet of mass \(2\ \mathrm{kg}\) moving at \(20\ \mathrm{m/s}\) penetrates a block of wood and stops after \(10\ \mathrm m\). Find: the initial kinetic energy, the work, the friction force, the stopping time and the power.

الحل
\(K_0=\tfrac12mv_0^2=\tfrac12\times2\times20^2=400\ \mathrm J\)
\(W=\Delta K=0-400=-400\ \mathrm J\)
\(-F_kd=-400\ \Rightarrow\ F_k=\frac{400}{10}=40\ \mathrm N\)
\(t=\frac{2d}{v_0}=\frac{2\times10}{20}=1\ \mathrm s,\qquad P=\frac{|W|}{t}=\frac{400}{1}=400\ \mathrm W\)
✅ \(F_k=40\ \mathrm N,\ W=-400\ \mathrm J,\ P=400\ \mathrm W\)
Solution
\(K_0=\tfrac12mv_0^2=\tfrac12\times2\times20^2=400\ \mathrm J\)
\(W=\Delta K=0-400=-400\ \mathrm J\)
\(-F_kd=-400\ \Rightarrow\ F_k=\frac{400}{10}=40\ \mathrm N\)
\(t=\frac{2d}{v_0}=\frac{2\times10}{20}=1\ \mathrm s,\qquad P=\frac{|W|}{t}=\frac{400}{1}=400\ \mathrm W\)
✅ \(F_k=40\ \mathrm N,\ W=-400\ \mathrm J,\ P=400\ \mathrm W\)
⭐ 1

الطاقة الحركية الابتدائية لطلقة \(400\ \mathrm J\) والنهائية صفر. الشغل الذي تبذله قوة الاحتكاك:

The initial kinetic energy of a bullet is \(400\ \mathrm J\) and the final is zero. The work done by friction is:

A\(+400\ \mathrm J\)\(+400\ \mathrm J\)
B\(-400\ \mathrm J\)\(-400\ \mathrm J\)
C\(0\)\(0\)
D\(200\ \mathrm J\)\(200\ \mathrm J\)
الحل
\(W=\Delta K=0-400=-400\ \mathrm J\)
✅ \(-400\ \mathrm J\)
Solution
\(W=\Delta K=0-400=-400\ \mathrm J\)
✅ \(-400\ \mathrm J\)
⭐ 2

ما العلاقة بين قوة الاحتكاك والمسافة التي تخترقها الطلقة في الخشب؟

What is the relation between the friction force and the distance the bullet penetrates in the wood?

Aطرديةdirect
Bلا توجد علاقةno relation
Cتربيعيةquadratic
Dعكسيةinverse
الحل
\(d=\frac{mv_0^2}{2F_k}\propto\frac1{F_k}\)
✅ علاقة عكسية
Solution
\(d=\frac{mv_0^2}{2F_k}\propto\frac1{F_k}\)
✅ an inverse relation

🚗 تطبيق: فرملة سيارة

🚗 Application: Braking a Car

مسافة التوقف تتناسب مع مربع السرعة، لذلك تحتاج السيارة التي تسير بضعف السرعة إلى أربعة أمثال مسافة التوقف. وهذا تفسير خطورة السرعة الزائدة.

The stopping distance is proportional to the square of the speed, so a car travelling at twice the speed needs four times the stopping distance. This explains the danger of excessive speed.

🧪 تجربة 2: فرملة سيارة: مسافة التوقف ومربع السرعة

🧪 Experiment 2: Braking a Car: the Stopping Distance and the Square of the Speed

غيّر كتلة السيارة وسرعتها وقوة الفرملة ثم اضغط «افرمل». من نظرية الشغل والطاقة \(Fd=\tfrac12mv^2\) فتتناسب المسافة مع مربع السرعة.

Change the mass of the car, its speed and the braking force then press “Brake”. From the work-energy theorem \(Fd=\tfrac12mv^2\) so the distance is proportional to the square of the speed.

1000
72
4
الطاقة الحركية (kJ)Kinetic energy (kJ)—
مسافة التوقف \(d\) (m)Stopping distance \(d\) (m)—
زمن التوقف (s)Stopping time (s)—
القدرة المتوسطة (kW)Average power (kW)—

❓ مثال 2Example 2

سيارة كتلتها \(1000\ \mathrm{kg}\) تسير بسرعة \(72\ \mathrm{km/h}\) \((20\ \mathrm{m/s})\) فتوقفت بعد \(50\ \mathrm m\). أوجد التغير في الطاقة الحركية وقوة الاحتكاك والقدرة المتوسطة.

A car of mass \(1000\ \mathrm{kg}\) travelling at \(72\ \mathrm{km/h}\) \((20\ \mathrm{m/s})\) stops after \(50\ \mathrm m\). Find the change in kinetic energy, the friction force and the average power.

الحل
\(K_0=\tfrac12\times1000\times20^2=200000\ \mathrm J,\qquad \Delta K=-200000\ \mathrm J\)
\(-F\,d=\Delta K\ \Rightarrow\ F=\frac{200000}{50}=4000\ \mathrm N\)
\(t=\frac{2d}{v_0}=5\ \mathrm s,\qquad P=\frac{200000}{5}=40000\ \mathrm W\)
✅ \(\Delta K=-2\times10^5\ \mathrm J,\ F=4000\ \mathrm N,\ P=40\ \mathrm{kW}\)
Solution
\(K_0=\tfrac12\times1000\times20^2=200000\ \mathrm J,\qquad \Delta K=-200000\ \mathrm J\)
\(-F\,d=\Delta K\ \Rightarrow\ F=\frac{200000}{50}=4000\ \mathrm N\)
\(t=\frac{2d}{v_0}=5\ \mathrm s,\qquad P=\frac{200000}{5}=40000\ \mathrm W\)
✅ \(\Delta K=-2\times10^5\ \mathrm J,\ F=4000\ \mathrm N,\ P=40\ \mathrm{kW}\)
⭐ 3

سيارة كتلتها \(1000\ \mathrm{kg}\) وسرعتها \(20\ \mathrm{m/s}\). طاقتها الحركية:

A car of mass \(1000\ \mathrm{kg}\) has a speed of \(20\ \mathrm{m/s}\). Its kinetic energy is:

A\(200{,}000\ \mathrm J\)\(200{,}000\ \mathrm J\)
B\(20{,}000\ \mathrm J\)\(20{,}000\ \mathrm J\)
C\(10{,}000\ \mathrm J\)\(10{,}000\ \mathrm J\)
D\(400{,}000\ \mathrm J\)\(400{,}000\ \mathrm J\)
الحل
\(K=\tfrac12\times1000\times20^2=200000\ \mathrm J\)
✅ \(200000\ \mathrm J\)
Solution
\(K=\tfrac12\times1000\times20^2=200000\ \mathrm J\)
✅ \(200000\ \mathrm J\)

⚽ تطبيق: كرة مقذوفة لأعلى

⚽ Application: a Ball Thrown Upward

أثناء الصعود يبذل الوزن شغلًا سالبًا يساوي \(-mgh\)، فتتناقص الطاقة الحركية حتى تنعدم عند أقصى ارتفاع حيث تساوي طاقة الوضع المكتسبة الطاقة الحركية الابتدائية.

During the ascent the weight does negative work equal to \(-mgh\), so the kinetic energy decreases until it vanishes at the maximum height where the gained potential energy equals the initial kinetic energy.

🧪 تجربة 3: كرة مقذوفة لأعلى: الشغل والطاقة والارتفاع

🧪 Experiment 3: A Ball Thrown Upward: Work, Energy and Height

غيّر كتلة الكرة وسرعة قذفها ثم اضغط «اقذف»: يبذل الوزن شغلًا سالبًا يساوي \(-K_0\) فتصل الكرة إلى الارتفاع \(h=v_0^2/2g\).

Change the mass of the ball and its throwing speed then press “Throw”: the weight does negative work equal to \(-K_0\) so the ball reaches the height \(h=v_0^2/2g\).

0.5
15
الطاقة الحركية \(K_0\) (J)Kinetic energy \(K_0\) (J)—
أقصى ارتفاع \(h\) (m)Maximum height \(h\) (m)—
زمن الصعود (s)Time of ascent (s)—
القدرة المتوسطة (W)Average power (W)—

❓ مثال 3Example 3

كرة كتلتها \(0.5\ \mathrm{kg}\) قُذفت رأسيًا لأعلى بسرعة \(15\ \mathrm{m/s}\). أوجد أقصى ارتفاع بنظرية الشغل والطاقة، ثم القدرة المتوسطة إذا استغرق الصعود \(1.5\ \mathrm s\) (\(g=9.8\)).

A ball of mass \(0.5\ \mathrm{kg}\) is thrown vertically upward at \(15\ \mathrm{m/s}\). Find the maximum height with the work-energy theorem, then the average power if the ascent takes \(1.5\ \mathrm s\) (\(g=9.8\)).

الحل
\(K_0=\tfrac12\times0.5\times15^2=56.25\ \mathrm J\)
\(-mgh=0-K_0\ \Rightarrow\ h=\frac{56.25}{0.5\times9.8}\approx11.48\ \mathrm m\)
\(P=\frac{|W|}{t}=\frac{56.25}{1.5}=37.5\ \mathrm W\)
✅ \(h\approx11.48\ \mathrm m,\ P=37.5\ \mathrm W\)
Solution
\(K_0=\tfrac12\times0.5\times15^2=56.25\ \mathrm J\)
\(-mgh=0-K_0\ \Rightarrow\ h=\frac{56.25}{0.5\times9.8}\approx11.48\ \mathrm m\)
\(P=\frac{|W|}{t}=\frac{56.25}{1.5}=37.5\ \mathrm W\)
✅ \(h\approx11.48\ \mathrm m,\ P=37.5\ \mathrm W\)

⚡ القدرة الميكانيكية

⚡ Mechanical Power

القدرة هي معدل بذل الشغل. وعندما تؤثر قوة ثابتة في جسم يتحرك بسرعة ثابتة تُحسب بـ \(P=Fv\).

Power is the rate of doing work. When a constant force acts on a body moving at a constant speed it is calculated as \(P=Fv\).

📌 القدرة

📌 Power

\[P=\frac{W}{t}=\frac{\Delta K}{t}=F\,v_{avg}\]

وحدتها الواط \(\mathrm{W=J/s}\)، والحصان الميكانيكي \(1\ \mathrm{hp}=746\ \mathrm W\).

Its unit is the watt \(\mathrm{W=J/s}\), and the horsepower is \(1\ \mathrm{hp}=746\ \mathrm W\).

❓ مثال 4Example 4

محرك كهربائي يؤثر بقوة \(500\ \mathrm N\) لتحريك جسم بسرعة ثابتة \(4\ \mathrm{m/s}\). أوجد القدرة والشغل في \(10\ \mathrm s\) والطاقة الحركية إذا كانت كتلته \(100\ \mathrm{kg}\).

An electric motor exerts \(500\ \mathrm N\) to move a body at a constant \(4\ \mathrm{m/s}\). Find the power, the work in \(10\ \mathrm s\) and the kinetic energy if its mass is \(100\ \mathrm{kg}\).

الحل
\(P=Fv=500\times4=2000\ \mathrm W\)
\(W=Pt=2000\times10=20000\ \mathrm J\)
\(K=\tfrac12\times100\times4^2=800\ \mathrm J\)
✅ \(P=2000\ \mathrm W,\ W=20000\ \mathrm J,\ K=800\ \mathrm J\)
Solution
\(P=Fv=500\times4=2000\ \mathrm W\)
\(W=Pt=2000\times10=20000\ \mathrm J\)
\(K=\tfrac12\times100\times4^2=800\ \mathrm J\)
✅ \(P=2000\ \mathrm W,\ W=20000\ \mathrm J,\ K=800\ \mathrm J\)
⭐ 4

محرك يؤثر بقوة \(500\ \mathrm N\) فيحرّك جسمًا بسرعة ثابتة \(4\ \mathrm{m/s}\). القدرة:

A motor exerts \(500\ \mathrm N\) and moves a body at a constant \(4\ \mathrm{m/s}\). The power is:

A\(125\ \mathrm W\)\(125\ \mathrm W\)
B\(500\ \mathrm W\)\(500\ \mathrm W\)
C\(2000\ \mathrm W\)\(2000\ \mathrm W\)
D\(200\ \mathrm W\)\(200\ \mathrm W\)
الحل
\(P=Fv=500\times4=2000\ \mathrm W\)
✅ \(2000\ \mathrm W\)
Solution
\(P=Fv=500\times4=2000\ \mathrm W\)
✅ \(2000\ \mathrm W\)
⭐ 5

الشغل المبذول \(400\ \mathrm J\) في زمن \(1.33\ \mathrm s\). القدرة المتوسطة تقريبًا:

The work done is \(400\ \mathrm J\) in \(1.33\ \mathrm s\). The average power is about:

A\(200\ \mathrm W\)\(200\ \mathrm W\)
B\(400\ \mathrm W\)\(400\ \mathrm W\)
C\(300\ \mathrm W\)\(300\ \mathrm W\)
D\(532\ \mathrm W\)\(532\ \mathrm W\)
الحل
\(P=\frac{400}{1.33}\approx300\ \mathrm W\)
✅ \(300\ \mathrm W\)
Solution
\(P=\frac{400}{1.33}\approx300\ \mathrm W\)
✅ \(300\ \mathrm W\)

🎲 تدرّب

🎲 Practice

🧪 تجربة 4: تدرّب: مسائل الشغل والقدرة

🧪 Experiment 4: Practice: Work and Power Problems

مسائل عشوائية بأرقام مختلفة. احسب واكتب الجواب ثم اضغط «تحقّق».

Random problems with different numbers. Work it out, enter the answer and press “Check”.

الصحيحة / المحاولاتCorrect / attempts—
أفضل سلسلةBest streak—


📊 جدول ملخص

📊 Summary

الكميةQuantityالصيغةFormulaملاحظةNote
الشغلWork\(W=Fd\cos\theta\)\(W=Fd\cos\theta\)سالب مع قوة معاكسة للحركةnegative for a force opposing the motion
الطاقة الحركيةKinetic energy\(K=\tfrac12mv^2\)\(K=\tfrac12mv^2\)تتناسب مع مربع السرعةproportional to the square of the speed
نظرية الشغل والطاقةWork-energy theorem\(W_{tot}=\Delta K\)\(W_{tot}=\Delta K\)الشغل الكلي = تغير الطاقة الحركيةtotal work = change in kinetic energy
مسافة التوقفStopping distance\(d=\dfrac{mv^2}{2F}\)\(d=\dfrac{mv^2}{2F}\)عكسية مع القوةinverse with the force
القدرةPower\(P=\dfrac Wt=Fv\)\(P=\dfrac Wt=Fv\)\(1\ \mathrm{hp}=746\ \mathrm W\)\(1\ \mathrm{hp}=746\ \mathrm W\)

🧪 اختبر نفسك: امتحان من 20 سؤالاً

🧪 Test Yourself: a 20-Question Exam

أنهِ الدرس بالاختبار التفاعلي التالي؛ أسئلته تجمع بين الفهم والحساب وتغطي جميع أقسام الدرس.

Finish with the interactive exam below; its questions mix understanding with calculation and cover every section of the lesson.

🧲

اختبار الشغل والطاقة الحركية والقدرة Work, Kinetic Energy and Power Quiz

20 سؤالاً - الطاقة الحركية، نظرية الشغل والطاقة، قوة الاحتكاك والمسافة والزمن، القدرة 20 Questions - kinetic energy, the work-energy theorem, friction force, distance and time, power

المعلوماتInfo
الأسئلةQuestions
النتائجResults
📌 تعليمات مهمة:
• عدد الأسئلة: 20 سؤالاً
• مدة الاختبار: 30 دقيقة
• لا يمكنك تغيير إجاباتك أو إعادة الاختبار إلا بعد 24 ساعة من التسليم.
• تأكد من إجاباتك قبل التسليم!
📌 Important Instructions:
• Number of questions: 20 questions
• Quiz duration: 30 minutes
• You cannot change your answers or retake the quiz for 24 hours after submission.
• Make sure of your answers before submitting!