Fiziksel anlamda iş ve güç
Fizikte iş yapılabilmesi için bir cisme kuvvet uygulanması ve cismin uygulanan kuvvet doğrultusunda yer değiştirmesi gerekir. Kuvvet hareket yönüne dik ise (örneğin elinde çantayla düz yolda sabit hızla yürüyen öğrenci) fiziksel anlamda iş yapılmaz.
İş formülüW = F · Δx (F: kuvvet, Δx: yer değiştirme). Birimi Joule (J) = Newton × metre.
Birim zamanda yapılan işe veya birim zamanda harcanan enerjiye güç denir. P sembolüyle gösterilir ve SI birimi Watt (W)tır (1 Watt = 1 Joule / saniye).
| Büyüklük | Sembol | Formül | SI Birimi | Açıklama |
|---|---|---|---|---|
| İş | W | W = F · Δx | Joule (J) | Skalerdir; kuvvet ile yer değiştirmenin çarpımıdır. |
| Güç | P | P = W / t | Watt (W) | İşin yapılma hızıdır; 1 kilovatt (kW) = 1000 Watt. |
| Elektrik enerjisi | E | E = P · t | Joule (J) | Faturalarda SI dışı kilovatsaat (kWh) kullanılır: 1 kWh = 3,6 × 10⁶ J. |
Örnek. Sürtünmesiz yatay düzlemdeki bir cisme yatay 25 N kuvvet uygulanarak cisim 8 metre çekiliyor. Yapılan işi ve bu hareket 4 saniye sürdüğüne göre harcanan gücü hesaplayın.
- İş formülü: W = F · Δx.
- W = 25 N × 8 m = 200 Joule.
- Güç formülü: P = W / t.
- P = 200 J / 4 s = 50 Watt bulunur.
Cevapİş = 200 J · Güç = 50 W
Mekanik enerji: Kinetik ve potansiyel enerji
Bir cismin ya da sistemin iş yapabilme yeteneğine enerji denir. Kinetik enerji ile potansiyel enerjinin toplamına mekanik enerji adı verilir: E_mekanik = E_k + E_p.
| Enerji türü | Sembol | Formül | Neye bağlıdır? |
|---|---|---|---|
| Kinetik enerji | E_k | E_k = (1/2) · m · v² | Cismin kütlesine (m) ve hızının karesine (v²) bağlıdır. |
| Yer çekimi potansiyeli | E_p | E_p = m · g · h | Kütleye (m), yer çekimi ivmesine (g) ve referans noktasına olan yüksekliğe (h) bağlıdır. |
| Esneklik potansiyeli | E_yay | E_yay = (1/2) · k · x² | Yay sabitine (k) ve yayın sıkışma/uzama miktarının karesine (x²) bağlıdır. |
KısayolKinetik enerji hızın karesiyle orantılıdır; hız 2 katına çıkarsa kinetik enerji 4 katına, hız 3 katına çıkarsa 9 katına çıkar.
Örnek. Kütlesi 2 kg olan bir cisim 10 m/s hızla ilerlerken kinetik enerjisi E₁ olmaktadır. Bu cisim yerden 5 metre yüksekliğe çıkarılıp durdurulduğunda yer çekimi potansiyel enerjisi E₂ olduğuna göre E₁ ve E₂ değerlerini bulun (g = 10 m/s²).
- Kinetik enerji: E₁ = (1/2) · m · v² = (1/2) · 2 · 10² = 100 Joule.
- Potansiyel enerji: E₂ = m · g · h = 2 · 10 · 5 = 100 Joule.
CevapE₁ = 100 J · E₂ = 100 J
Enerjinin korunumu, sürtünme ve verim
Enerji yoktan var edilemez, var olan enerji de yok olamaz; yalnızca bir biçimden diğerine dönüşür. Buna enerjinin korunumu yasası denir.
Sürtünmelerin ihmal edildiği ortamlarda bir cismin mekanik enerjisi sabit kalır: E_mekanik,ilk = E_mekanik,son. Potansiyel enerji azaldıkça kinetik enerji artar.
Serbest düşmede hız kuralıSürtünmesiz ortamda h yüksekliğinden serbest bırakılan cismin yere çarpma hızı kütleye bağlı değildir: m·g·h = (1/2)·m·v² ⇒ v = √(2·g·h).
Örnek. Sürtünmesiz bir ortamda yerden 20 metre yükseklikten serbest bırakılan 3 kg kütleli bir cismin yere çarpma hızı kaç m/s olur? (g = 10 m/s²)
- Mekanik enerjinin korunumundan: Başlangıçtaki potansiyel enerji yere çarpmadan hemen önceki kinetik enerjiye dönüşür.
- m · g · h = (1/2) · m · v².
- Kütleler (m) eşitliğin iki tarafından sadeleşir.
- v² = 2 · g · h = 2 × 10 × 20 = 400.
- v = √400 = 20 m/s bulunur.
CevapYere çarpma hızı 20 m/s’dir.
| Kavram | Formül / Eşitlik | Açıklama |
|---|---|---|
| Sürtünmeye harcanan iş | E_ısı = f_s · x (x: alınan yol) | Sürtünme kuvveti mekanik enerjiyi termal (ısı) enerjiye dönüştürür. |
| Verim | Verim = (Faydalı iş / Harcanan enerji) × 100 | Hiçbir makinede sürtünmeler nedeniyle verim %100 olamaz. |
Örnek. Bir elektrik motoru 500 Joule elektrik enerjisi harcayarak bir yükü kaldırmakta ve yüke 400 Joule potansiyel enerji kazandırmaktadır. Bu motorun verimi yüzde kaçtır ve ısıya dönüşen enerji ne kadardır?
- Verim = (Yapılan faydalı iş / Harcanan toplam enerji) × 100.
- Verim = (400 / 500) × 100 = %80 bulunur.
- Isıya dönüşen kayıp enerji = 500 − 400 = 100 Joule olur.
CevapVerim = %80 · Isıya dönüşen enerji = 100 J
Enerji kaynakları
İnsanlığın kullandığı enerji kaynakları doğadaki yenilenme hızlarına göre iki ana gruba ayrılır.
| Grup | Enerji kaynakları | Özellikleri |
|---|---|---|
| Yenilenebilir kaynaklar | Güneş, Rüzgâr, Hidroelektrik, Jeotermal, Biyokütle, Dalga | Kullandıkça tükenmez; doğada kısa sürede kendini yeniler; sera gazı salımları düşüktür; çevre dostudur. |
| Yenilenemez kaynaklar | Kömür, Petrol, Doğal gaz (Fosil yakıtlar) ve Nükleer (Uranyum) | Kullanıldıkça rezervleri tükenir; oluşumları milyonlarca yıl sürer; fosil yakıtlar küresel ısınmaya ve hava kirliliğine yol açar. |
Testten önce bunları bil
- Kuvvete dik yer değiştirmede iş sıfırdır
Bir kuvvet yer değiştirme doğrultusuna dik uygulanıyorsa iş yapmaz; çantayı omuzda taşıyarak yatay yürümek yerçekimine karşı iş değildir.
- Serbest düşüş hızı kütleye bağlı değildir
m·g·h = 1/2 m·v² eşitliğinde kütleler sadeleşir; havasız ortamda aynı yükseklikten bırakılan demir bilye ile tüy aynı hızla yere çarpar.
- Hız 2 katına çıkınca kinetik enerji 4 katına çıkar
Kinetik enerji hızın karesiyle doğru orantılıdır (v²); hızdaki artış enerjiyi karesi oranında katlar.
- Verim asla %100 olamaz
Gerçek hayatta sürtünme ve direnç kuvvetleri nedeniyle enerjinin bir kısmı mutlaka ısı ve sese dönüşür; bu yüzden verim %100’e ulaşamaz.
Kendini dene
Cevaba dokun — neden öyle olduğunu birlikte görelim.
Yatay sürtünmesiz yolda duran bir cisme uygulanan 15 N büyüklüğündeki kuvvet cisme kendi doğrultusunda 6 metre yol aldırdığında kaç Joule iş yapılmış olur?
Bir elektrikli vinç 2400 Joule işi 12 saniyede yaptığına göre bu vincin gücü kaç Watt’tır?
Kütlesi 2 kg olan ve 6 m/s hızla hareket eden bir cismin kinetik enerjisi kaç Joule’dür?
Kütlesi 5 kg olan bir saksı yerden 4 metre yükseklikteki balkonda durmaktadır. Saksının yer çekimi potansiyel enerjisi kaç Joule’dür? (g = 10 m/s²)
Fiziksel anlamda bir kuvvetin iş yapabilmesi için hangisi ZORUNLUDUR?
Sürtünmesiz bir ortamda belirli bir h yüksekliğinden serbest bırakılan cismin yere çarpma hızı hangisine BAĞLI DEĞİLDİR?
Bir motor 1000 Joule elektrik enerjisi tüketerek 800 Joule yararlı mekanik iş yaptığına göre bu motorun verimi yüzde kaçtır?
Yay sabiti k = 100 N/m olan bir yay 0,2 metre sıkıştırıldığında yayda depolanan esneklik potansiyel enerjisi kaç Joule olur?
Aşağıdakilerden hangisi çevre dostu ve kendini doğal döngüyle yenileyebilen bir enerji kaynağıdır?
Sürtünmeli bir yolda kayarak ilerleyen bir sandığın mekanik enerjisi için hangisi doğrudur?
Alıştırma bitti — –
Sıradaki konu: Isı ve sıcaklık.
0/10 · soru cevaplandı