كفاءة استخدام الطاقة

     ان الكفاءة في استخدام الطاقة يتم عرضها في شكل حركة (الطاقة الحركية) أو القدرة على القيام بعمل (الطاقة المحتملة ، والطاقة الكامنة)، والحفاظ على الطاقة، مع الحفاظ على قوة الدفع ، وهي احد آلاليات التي تعتمد عليها الميكانيكا. وتظهر الطاقة في أشكال كثيرة منها الميكانيكية والكهربائية والنووية والحرارية ، والطاقة الكيميائية.  

    كما ان نظرية الشغل والطاقة توفر وسيلة مريحة ومفيدة للربط بين العمل الذي تقوم به بقوة تحريك الجسم والطاقة التي نملكها. وباستخدام هذه النظرية، يمكن حل بعض المشاكل بسهولة دون اللجوء إلى قانون نيوتن الثاني. ومن الجدير بالذكر ، أن يتم إدخال المبادئ الأساسية الجديدة والتي تقوم عليها العلاقة بين العمل والطاقة على قوانين نيوتن وفيما يلي عرض لمفاهيم الشغل والقدرة والكفاءة، والتي تعتبر جوهرية في الميكانيكا الحيوية .

الشغل

القدرة

الكفاءة

اولا:  الشغل Work:

 
    بالنسبة لمعظم الناس ، العمل  هو مجهود شاق نقوم به كل يوم  لنحصل على المال وبعد ذلك نفعل أشياء أخرى في أوقات الفراغ. اما في الميكانيكا الكلاسيكية ، فانه يأخذ معنى محدد وأكثر دقة ، فاذا كانت القوة الثابتة F تطبق على الشيء من خلال تحركة لمسافةS  (الازاحة) وهي موازية للقوة F، والشغل (W) من تلك القوة  تساوي القوة في الاتجاه.  او مقدار الازاحة .

وبذلك فان الشغل (w) = القوة (F) . المسافة (S) 

    وعلى الرغم من ان كلا من القوة والازاحة هي كميات متجهة ، ووحدة قياس الشغل هي نيوتن / متر او كجم/ م وبالنظر في المثال التالي الذي هو معروف لقائدى الدراجات. تأخير القوة ، بسبب الدوران و الاحتكاك بين الاطارات والطريق والتي قد أن تكون ثابتة ، بغض النظر عن سرعة الدراجة إذا كان احتكاك دوران العجلات يساوي -3 نيوتن (الاحتكاك في الاتجاه المعاكس بالنسبة للازاحة الإيجابية للدراجة ، وبالتالي تكون بالسالب) ويطبق باستمرار في محاولة  اعلى من 40 كم ،يتم تطبيق المعادلة وتعطي النتيجة التالية :

W=F.S
    =-3x4.0x10= -120 kj

هذه المعادلة تعني أن الشغل الذي يتعين به القيام من قوة ، وازاحة لشئ ما يجب أن تكون غير الصفر والقوة يجب أن يكون عنصرا في اتجاه الازاحة .

مثال : لشخص يقود دراجة دفع. في هذا المثال رد فعل القوة عمودي على العجلات ، ووزن المتسابق  على الدراجة في اتجاه عمودي.  وجميع العناصر في اتجاه الحركة (على افتراض أن الدراجة لا تتحرك صعودا وهبوطا) وهكذا فإن قوى الاحتكاك التي يتم تطبيقها عند نقاط الاتصال بين الطرق والاطارات هي القوات المسؤولة عن القيام بالعمل على نظام دراجة متسابق. في هذا المثال ، انزلاق الاحتكاك تعارض العجلات الخلفية (في وجهة نظرها على الاتصال مع الأرض) ، ويعمل بشكل إيجابي على النظام.

    ومن الأهمية بمكان ، في هذه المرحلة ، التمييز بين العمل الميكانيكية والعمل الفسيولوجية. عندما يؤدي الشخص انقباض ايزومتري ، على سبيل المثال ، التعلق من الذراعين على البار، فلا يكون هناك عمل ميكانيكي وتكون ازاحة الجسم تساوي صفر ومع ذلك ، فإن التعب للعضلات العاملة لأن الطاقة الداخلية تبدا في الاستخدام للحفاظ على الفرد في هذا الوضع. العضلات هي "الشغل" حيث تحول الطاقة الكيميائية إلى التوتر. وبعبارة أخرى ، أنهم يؤدون العمل الفسيولوجي ، ولكن لم يحدث الحركة. وهكذا ، على الرغم من أن احد هذه الحالات (عضلات الذراع تصل في النهاية إلى مرحلة أنها لم تعد قادرة على مقاومة التحميل) لا يعمل ميكانيكي لأنه لا يوجد حركة في اتجاه القوة المستخدمة.

    عند رفع ثقل لاعلى واسفل في اتجاه الصدر من خلال وضع الرقود على الظهر على المقعد  المخصص لرفع الاثقال كما في الشكل. نجد ان القوة الناتجة من اليد في الرفع لاعلى قوة إيجابية والازاحة عند الهبوط تكون سلبية. الشغل المبذول  على البار الحديدي من خلال قوة اليد في رفع الوزن  لاعلى يكون سلبي منذ الاشارة للكميات في اثنين من الناتج المقابل. وبالمثل ، فإن قوة الوزن على البار تكون ايضا سلبية .وهكذا يكون العمل الذي في اتجاه الجاذبية ايجابيا  ويكون العمل اانهائي هو مجموع هذه الأعمال ، وهما العمل السلبي الذي قام به الشخص والعمل الإيجابي الذي قامت بها الجاذبية ، يمكننا القول بأن

Wnet =      Wi                 

حيث  Wnet هو الشغل الذي قام به الجسم  من قبل قوى خارجية                                                 Wi           هى الشغل الناتج من القوة     ,   n    هي عدد القوى الخارجية

وبالعودة إلى رفع الأثقال سبيل المثال ، إذاكان كتلة من الحديد تزن100 كجم وكانت الازاحة إلى أسفل 0.7 م ، فالشغل الذي باتجاه الجاذبية يكون كما يلي                                                   :
Wg =- (100 × 9.8) × 0.7 = - 686          

واذا كان قوة رفع الوزن لاعلى تساوي 950 نيوتن فيكون الشغل كالتالي:

Wa= 950x -0.7= - 665 J

 = 21J Wnet = 686- 665 J

يحدث  الانقباض العضلي. ، عندما تتولد قوة  ولكن عند اطالة العضلات  يكون الشغل الواقع على  قوة العضلات سلبي (انقباض لامركزي) وبالمثل ، عندما تقصر العضلات كالانقباض المركزي  يكون الشغل ايجابي،  من قبل العضلات.

ثانيا: القدرة Power:

    هي تصف القدرة على انتاج واستخدام الطاقة في الأداء البشري.  من المعروف أن راكبي دراجات السباق لديهم قدرة لإنتاج المخرجات من الطاقة تصل الى 1800 وات وذلك لفترات قصيرة جدا من الزمن ، ويقال عنها ،وهناك مثال لبطلي سباق الدراجات ( ميغيل اندورين , إدي ) فكلاهما بطل الدراجات الهوائية الذي فاز في جولة بفرنسا 10 مرات بينهما كانت قادرة على الحفاظ على مخرجات الطاقة بحوالي 500 وات في الساعة! ولكن ما هي القدرة ؟ هي معدل الشغل المبذول على الزمن .

P= w / t

 ووحدة قياس القدرة هي الوات.

 وترتبط القدرة بمكون القوة ومكون السرعة معا, فالقدرة تعني اخراج اقصى طاقة بسرعة (القوة الانفجارية)

وغالبا ما يستخدم اختبار (مارجريا ستير) لقياس قدرة الرجل حيث يقوم الفرد بصعود ستة درجات بالجري ويكون مقدار الشغل هنا هو القوة التي تستطيع الرجل انتاجها وحساب ازاحة الجسم . ويتم حساب الزمن الكلي للاداء.

ثالثا: الكفاءة Efficiency:

    ان سباقات السرعة ورياضات القدرة ، مثل رفع الأثقال والقدرة على تسديد هدق بأقصى  قوة  وفي اسرع وقت, بالاضافة الى انشطة التحمل مثل الجري لمسافات طويلة وركوب الدراجات  يكون الهدف منها هو تحقيق أقصى قدر من الاقتصاد في الأداء. وبالتالي محاولة زيادة حجم العمل الميكانيكي من أجل استهلاك الحد الأدنى للطاقة الفسيولوجية.       

الكفاءة التي يمكن أن يؤديها الانسان هي احد من أهم العوامل المحددة للقدرة على العمل البدني. ويمكن تعريف الكفاءة بانها القيام بعمل ميكانيكي محدد مع الاقتصاد في الجهد مثل الاعتماد على نظم انتاج الطاقة (ATP)