Fislab
الرئيسية / الدروس / الشغل والقدرة الميكانيكية

⚙️ الشغل والقدرة الميكانيكية

Work and 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. تعرّف الشغل \(W=Fd\cos\theta\) وتحدد إشارته ووحدته الجول.Define work \(W=Fd\cos\theta\) and determine its sign and its unit the joule.
  2. تعرّف القدرة \(P=W/t=Fv\) ووحدتها الواط والحصان الميكانيكي \(1\ \mathrm{hp}=746\ \mathrm W\).Define power \(P=W/t=Fv\) and its unit the watt and the horsepower \(1\ \mathrm{hp}=746\ \mathrm W\).
  3. تطبّق نظرية الشغل والطاقة الحركية \(W_{tot}=\Delta K\).Apply the work-kinetic energy theorem \(W_{tot}=\Delta K\).
  4. تحلّ مسائل الصعود والرفع والمحركات والاحتكاك.Solve problems on climbing, lifting, motors and friction.

📖 ما هو الشغل؟

📖 What Is Work?

الشغل كمية فيزيائية تعبّر عن الطاقة المنقولة عند تأثير قوة في جسم وتحريكه. لا يُبذل شغل بمجرد وجود قوة؛ يجب أن يتحرك الجسم وأن يكون للقوة مركّبة في اتجاه حركته.

Work is a physical quantity that expresses the energy transferred when a force acts on a body and moves it. Work is not done merely because a force exists; the body must move and the force must have a component along its motion.

📌 قانون الشغل

📌 The law of work

\[W=\vec F\cdot\vec d=F\,d\cos\theta\]

الوحدة: الجول \((\mathrm J)\) = نيوتن × متر. \(\theta\) الزاوية بين القوة والإزاحة. والشغل كمية قياسية (لا اتجاه لها) لكن لها إشارة.

Unit: the joule \((\mathrm J)\) = newton × metre. \(\theta\) is the angle between the force and the displacement. Work is a scalar (no direction) but it has a sign.

الزاوية \(\theta\)Angle \(\theta\)\(\cos\theta\)\(\cos\theta\)الشغلThe workمثالExample
\(0^\circ\)\(0^\circ\)11موجب أعظمي \(Fd\)maximum positive \(Fd\)دفع صندوق على أرض أفقيةpushing a box on level ground
بين \(0\) و\(90^\circ\)between \(0\) and \(90^\circ\)موجبpositiveموجبpositiveسحب عربة بحبل مائلpulling a cart with a slanted rope
\(90^\circ\)\(90^\circ\)00صفرzeroحمل حقيبة والمشي أفقيًاcarrying a bag while walking level
\(180^\circ\)\(180^\circ\)−1−1سالب \(-Fd\)negative \(-Fd\)الاحتكاك أو القوة المعيقةfriction or a retarding force

🧪 جرّب بنفسك: الشغل والزاوية

🧪 Try It Yourself: Work and the Angle

🧪 تجربة 1: الشغل والزاوية: متى يكون موجبًا وصفرًا وسالبًا؟

🧪 Experiment 1: Work and the Angle: When Is It Positive, Zero and Negative?

غيّر القوة وزاويتها \(\theta\) مع الإزاحة والمسافة ثم اضغط «ادفع». لاحظ أن الشغل \(W=Fd\cos\theta\) يتعلق بمركّبة القوة في اتجاه الإزاحة.

Change the force, its angle \(\theta\) with the displacement and the distance then press “Push”. Notice that the work \(W=Fd\cos\theta\) depends on the component of the force along the displacement.

100
30
5
الشغل \(W\) (J)Work \(W\) (J)—
\(F\cos\theta\) (N)\(F\cos\theta\) (N)—
إشارة الشغلSign of the work—


⚡ ما هي القدرة؟

⚡ What Is Power?

القدرة هي معدل بذل الشغل أو معدل تحويل الطاقة: كم من الشغل يُنجز في كل ثانية. محركان ينجزان الشغل نفسه، أقواهما أسرعهما.

Power is the rate of doing work or the rate of energy conversion: how much work is done each second. Two motors doing the same work, the more powerful is the faster.

📌 القدرة ووحداتها

📌 Power and its units

\[P=\frac{W}{t}=\vec F\cdot\vec v=F\,v\cos\theta\]

\[1\ \mathrm W=1\ \mathrm{J/s},\qquad 1\ \mathrm{hp}=746\ \mathrm W\]

الحصان الميكانيكي وحدة قديمة ابتكرها جيمس وات في القرن الثامن عشر؛ فمحرك سيارة قدرته \(100\ \mathrm{hp}\) تعادل \(74.6\ \mathrm{kW}\). والصيغة \(P=Fv\) تُستعمل عندما تكون السرعة ثابتة (أو السرعة المتوسطة).

The horsepower is an old unit invented by James Watt in the eighteenth century; a car engine of \(100\ \mathrm{hp}\) equals \(74.6\ \mathrm{kW}\). The relation \(P=Fv\) is used when the speed is constant (or the average speed).


🧪 جرّب بنفسك: قدرة الرافعة

🧪 Try It Yourself: the Power of a Hoist

🧪 تجربة 2: قدرة الرافعة: الشغل في الثانية

🧪 Experiment 2: The Power of a Hoist: Work per Second

يرفع محرك حملًا كتلته \(m\) ارتفاع \(h\) في زمن \(t\). غيّر الكتلة والارتفاع والزمن واضغط «شغّل الرافعة» لترى الشغل والقدرة بالواط والحصان الميكانيكي.

A motor lifts a load of mass \(m\) through a height \(h\) in a time \(t\). Change the mass, the height and the time and press “Run the hoist” to see the work and the power in watts and horsepower.

60
15
30
الشغل \(W\) (J)Work \(W\) (J)—
القدرة \(P\) (W)Power \(P\) (W)—
القدرة (hp)Power (hp)—
السرعة \(v=h/t\) (m/s)Speed \(v=h/t\) (m/s)—


📝 أمثلة محلولة

📝 Solved Examples

❓ مثال 1Example 1

طالب كتلته \(60\ \mathrm{kg}\) يصعد درجًا ارتفاعه \(15\ \mathrm m\) في \(30\ \mathrm s\). احسب الشغل الذي يبذله والقدرة التي يستهلكها (\(g=9.8\)).

A student of mass \(60\ \mathrm{kg}\) climbs stairs \(15\ \mathrm m\) high in \(30\ \mathrm s\). Find the work done and the power used (\(g=9.8\)).

الحل
\(F=mg=60\times9.8=588\ \mathrm N\)
\(W=Fd=588\times15=8820\ \mathrm J\)
\(P=\frac{W}{t}=\frac{8820}{30}=294\ \mathrm W\)
✅ \(W=8820\ \mathrm J,\ P=294\ \mathrm W\)
Solution
\(F=mg=60\times9.8=588\ \mathrm N\)
\(W=Fd=588\times15=8820\ \mathrm J\)
\(P=\frac{W}{t}=\frac{8820}{30}=294\ \mathrm W\)
✅ \(W=8820\ \mathrm J,\ P=294\ \mathrm W\)
❓ مثال 2Example 2

سيارة تتحرك بسرعة ثابتة \(20\ \mathrm{m/s}\) وتؤثر فيها قوة دفع \(1500\ \mathrm N\). احسب قدرة المحرك بالواط وبالحصان.

A car moves at a constant speed of \(20\ \mathrm{m/s}\) with a driving force of \(1500\ \mathrm N\). Find the engine power in watts and in horsepower.

الحل
\(P=Fv=1500\times20=30000\ \mathrm W=30\ \mathrm{kW}\)
\(P=\frac{30000}{746}\approx40.2\ \mathrm{hp}\)
✅ \(P=30\ \mathrm{kW}\approx40.2\ \mathrm{hp}\)
Solution
\(P=Fv=1500\times20=30000\ \mathrm W=30\ \mathrm{kW}\)
\(P=\frac{30000}{746}\approx40.2\ \mathrm{hp}\)
✅ \(P=30\ \mathrm{kW}\approx40.2\ \mathrm{hp}\)
❓ مثال 3Example 3

محرك كهربائي يبذل شغلًا \(5000\ \mathrm J\) في \(8\ \mathrm s\). احسب قدرته بالواط والحصان.

An electric motor does \(5000\ \mathrm J\) of work in \(8\ \mathrm s\). Find its power in watts and in horsepower.

الحل
\(P=\frac{W}{t}=\frac{5000}{8}=625\ \mathrm W\)
\(P=\frac{625}{746}\approx0.84\ \mathrm{hp}\)
✅ \(P=625\ \mathrm W\approx0.84\ \mathrm{hp}\)
Solution
\(P=\frac{W}{t}=\frac{5000}{8}=625\ \mathrm W\)
\(P=\frac{625}{746}\approx0.84\ \mathrm{hp}\)
✅ \(P=625\ \mathrm W\approx0.84\ \mathrm{hp}\)
❓ مثال 4Example 4

تُجَرّ زلاجة مسافة \(40\ \mathrm m\) بحبل يصنع زاوية \(30^\circ\) مع الأفقي بقوة \(100\ \mathrm N\) في \(20\ \mathrm s\). احسب الشغل والقدرة.

A sled is pulled \(40\ \mathrm m\) by a rope making \(30^\circ\) with the horizontal with a force of \(100\ \mathrm N\) in \(20\ \mathrm s\). Find the work and the power.

الحل
\(W=Fd\cos\theta=100\times40\times\cos30^\circ\approx3464\ \mathrm J\)
\(P=\frac{W}{t}=\frac{3464}{20}\approx173\ \mathrm W\)
✅ \(W\approx3464\ \mathrm J,\ P\approx173\ \mathrm W\)
Solution
\(W=Fd\cos\theta=100\times40\times\cos30^\circ\approx3464\ \mathrm J\)
\(P=\frac{W}{t}=\frac{3464}{20}\approx173\ \mathrm W\)
✅ \(W\approx3464\ \mathrm J,\ P\approx173\ \mathrm W\)
⭐ 1

طالب كتلته \(50\ \mathrm{kg}\) يتسلق درجًا ارتفاعه \(18\ \mathrm m\) في \(40\ \mathrm s\). قدرته (\(g=9.8\)):

A student of mass \(50\ \mathrm{kg}\) climbs stairs \(18\ \mathrm m\) high in \(40\ \mathrm s\). His power (\(g=9.8\)) is:

A\(187.4\ \mathrm W\)\(187.4\ \mathrm W\)
B\(220.5\ \mathrm W\)\(220.5\ \mathrm W\)
C\(115.9\ \mathrm W\)\(115.9\ \mathrm W\)
D\(330.1\ \mathrm W\)\(330.1\ \mathrm W\)
الحل
\(P=\frac{mgh}{t}=\frac{50\times9.8\times18}{40}=220.5\ \mathrm W\)
✅ \(220.5\ \mathrm W\)
Solution
\(P=\frac{mgh}{t}=\frac{50\times9.8\times18}{40}=220.5\ \mathrm W\)
✅ \(220.5\ \mathrm W\)
⭐ 2

صندوق وزنه \(40\ \mathrm N\) يُرفع بسرعة ثابتة \(3\ \mathrm{m/s}\). القدرة المطلوبة:

A box of weight \(40\ \mathrm N\) is lifted at a constant speed of \(3\ \mathrm{m/s}\). The power required is:

A\(43\ \mathrm W\)\(43\ \mathrm W\)
B\(13.3\ \mathrm W\)\(13.3\ \mathrm W\)
C\(60\ \mathrm W\)\(60\ \mathrm W\)
D\(120\ \mathrm W\)\(120\ \mathrm W\)
الحل
السرعة ثابتة فتساوي قوة الرفع الوزن.
\(P=Fv=40\times3=120\ \mathrm W\)
✅ \(120\ \mathrm W\)
Solution
The speed is constant so the lifting force equals the weight.
\(P=Fv=40\times3=120\ \mathrm W\)
✅ \(120\ \mathrm W\)
⭐ 3

يتسلق طالب وزنه \(700\ \mathrm N\) حبلًا ارتفاعه \(10\ \mathrm m\) بقدرة \(2.5\ \mathrm{hp}\). زمن التسلق:

A student of weight \(700\ \mathrm N\) climbs a rope \(10\ \mathrm m\) high with a power of \(2.5\ \mathrm{hp}\). The time of climbing is:

A\(3.75\ \mathrm s\)\(3.75\ \mathrm s\)
B\(4.25\ \mathrm s\)\(4.25\ \mathrm s\)
C\(2.5\ \mathrm s\)\(2.5\ \mathrm s\)
D\(5.25\ \mathrm s\)\(5.25\ \mathrm s\)
الحل
\(W=700\times10=7000\ \mathrm J,\qquad P=2.5\times746=1865\ \mathrm W\)
\(t=\frac{W}{P}=\frac{7000}{1865}\approx3.75\ \mathrm s\)
✅ \(t\approx3.75\ \mathrm s\)
Solution
\(W=700\times10=7000\ \mathrm J,\qquad P=2.5\times746=1865\ \mathrm W\)
\(t=\frac{W}{P}=\frac{7000}{1865}\approx3.75\ \mathrm s\)
✅ \(t\approx3.75\ \mathrm s\)

🎯 نظرية الشغل والطاقة الحركية

🎯 The Work-Kinetic Energy Theorem

الشغل الكلي الذي تبذله القوى المؤثرة في جسم يساوي التغير في طاقته الحركية. فإذا كان الشغل موجبًا زادت سرعة الجسم، وإذا كان سالبًا (كالاحتكاك) قلّت.

The total work done by the forces on a body equals the change in its kinetic energy. If the work is positive the body speeds up; if it is negative (such as friction) it slows down.

📌 النظرية

📌 The theorem

\[W_{tot}=\Delta K=\tfrac12mv_f^2-\tfrac12mv_i^2\]


🧪 جرّب بنفسك: الرصاصة والخشب

🧪 Try It Yourself: the Bullet and the Wood

🧪 تجربة 3: رصاصة تخترق الخشب: نظرية الشغل والطاقة

🧪 Experiment 3: A Bullet in Wood: the Work-Energy Theorem

تدخل الرصاصة قطعة خشب فتتوقف بعد عمق \(d\). من الطاقة الحركية الابتدائية تحسب قوة الاحتكاك \(F_k=K/d\). غيّر الكتلة والسرعة والعمق واضغط «أطلق».

The bullet enters a block of wood and stops after a depth \(d\). From the initial kinetic energy you find the friction force \(F_k=K/d\). Change the mass, the speed and the depth and press “Fire”.

0.5
40
0.2
الطاقة الابتدائية \(K\) (J)Initial energy \(K\) (J)—
قوة الاحتكاك \(F_k\) (N)Friction force \(F_k\) (N)—
الشغل الكلي (J)Total work (J)—
القدرة المتوسطة (W)Average power (W)—

❓ مثال 5Example 5

قذيفة كتلتها \(0.5\ \mathrm{kg}\) تتحرك بسرعة \(40\ \mathrm{m/s}\) تخترق قطعة خشب فتتوقف بعد \(0.2\ \mathrm m\). أوجد قوة الاحتكاك.

A bullet of mass \(0.5\ \mathrm{kg}\) moving at \(40\ \mathrm{m/s}\) penetrates a block of wood and stops after \(0.2\ \mathrm m\). Find the friction force.

الحل
\(K_i=\tfrac12mv^2=\tfrac12\times0.5\times40^2=400\ \mathrm J\)
\(W_{tot}=\Delta K=0-400=-400\ \mathrm J\)
\(-F_kd=-400\ \Rightarrow\ F_k=\frac{400}{0.2}=2000\ \mathrm N\)
✅ \(F_k=2000\ \mathrm N\)
Solution
\(K_i=\tfrac12mv^2=\tfrac12\times0.5\times40^2=400\ \mathrm J\)
\(W_{tot}=\Delta K=0-400=-400\ \mathrm J\)
\(-F_kd=-400\ \Rightarrow\ F_k=\frac{400}{0.2}=2000\ \mathrm N\)
✅ \(F_k=2000\ \mathrm N\)
⭐ 4

أي من العلاقات التالية تربط القدرة بالقوة والسرعة؟

Which of the following relates power to force and speed?

A\(P=F/v\)\(P=F/v\)
B\(P=v/F\)\(P=v/F\)
C\(P=Fv\)\(P=Fv\)
D\(P=Ft\)\(P=Ft\)
الحل
\(P=\frac{Fd}{t}=Fv\)
✅ \(P=Fv\)
Solution
\(P=\frac{Fd}{t}=Fv\)
✅ \(P=Fv\)
⭐ 5

عندما تكون الزاوية بين القوة والإزاحة \(90^\circ\) فإن الشغل:

When the angle between the force and the displacement is \(90^\circ\) the work is:

Aأعظميmaximum
Bسالبnegative
Cصفرzero
Dيساوي \(Fd\)equal to \(Fd\)
الحل
\(W=Fd\cos90^\circ=0\)
✅ صفر
Solution
\(W=Fd\cos90^\circ=0\)
✅ zero

🎲 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 العلاقات

📊 Summary of the Relations

الكميةQuantityالصيغةFormulaالوحدةUnit
الشغلWork\(W=Fd\cos\theta\)\(W=Fd\cos\theta\)جول (J)joule (J)
القدرةPower\(P=W/t=Fv\)\(P=W/t=Fv\)واط (W)watt (W)
الطاقة الحركيةKinetic energy\(K=\tfrac12mv^2\)\(K=\tfrac12mv^2\)جول (J)joule (J)
نظرية الشغل والطاقةWork-energy theorem\(W_{tot}=\Delta K\)\(W_{tot}=\Delta K\)جول (J)joule (J)
الحصان الميكانيكيHorsepower\(1\ \mathrm{hp}=746\ \mathrm W\)\(1\ \mathrm{hp}=746\ \mathrm W\)——

🧪 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 والقدرة Work and Power Quiz

20 سؤالاً - الشغل والزاوية، القدرة والحصان الميكانيكي، نظرية الشغل والطاقة الحركية 20 Questions - work and the angle, power and the horsepower, the work-kinetic energy theorem

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!