3.ÜNİTE KUVVET VE ENERJİ

1. BÖLÜM KÜTLE VE AĞIRLIK İLİŞKİSİ

1.1 Ağırlık Bir Kuvvettir

Kütle:

Kütle, bir cismin sahip olduğu madde miktarıdır.

Kütle eşit kollu terazi ile ölçülür. Birimi kg, gr veya tondur.

Madde miktarını değiştirerek kütleyi de değiştirebilirsiniz. Yani madde miktarını arttırırsanız kütle artar, madde miktarını azaltırsanız kütle de azalır.

Fakat herhangi bir yer değişikliğinde kütle değişmez.

Yer Çekimi Kuvveti

 Elimizdeki topu yukarıya doğru attığımızda top tekrar yere doğru düşer.

 Uçaktan serbest bırakılan paraşütçü yere doğru düşer.

 Musluk açıldığında su aşağı doğru akar.

 Yağmur yağdığı zaman yağmur damlacıkları yere doğru düşer.

 Ağaçtan düşen elma yere doğru düşer.

Dünya cisimlere cisimler de dünyaya kuvvet uygular.

Uygulanan bu kuvvetleri mıknatısların birbirlerine uyguladıkları çekim kuvvetlerine benzetebilirsiniz. (temas gerektirmeyen bir kuvvet) Bu mıknatıslardan büyük mıknatıs küçük mıknatısı çeker.

Dünya ve cisimlerde aynı mıknatıs gibi birbirlerine çekim kuvveti uygularlar ama dünyanın kütlesi cisimlerin kütlesinden büyük olduğundan onları kendisine çeker.

Dünya ile yeryüzündeki kütleler (cisimler) arasındaki çekim kuvvetine yer çekimi kuvveti denir.

Yer çekimi dünyadaki bütün cisimlerin üzerine etki ederler.

Yer çekim kuvveti temas gerektirmeyen bir kuvvettir, birimi Newton (N)’dur, dinamometre ile ölçülür.

Yer çekimi kuvvetinin yönü daima dünyanın merkezine doğrudur.

Yer çekimi kuvveti dengelenmemiş kuvvetlerdendir.

Dünyanın şeklinin geoid olduğunu biliyoruz yani kutuplarda biraz daha basıktır.

Bundan dolayı kutuplar dünyanın merkezine daha yakındır.

Bundan dolayı da kutuplarda yer çekimi kuvveti daha fazladır.

Dünyanın merkezine ne kadar yakınsanız size o kadar çok çekim kuvveti uygulanır.

Kütle Çekim Kuvveti

Bütün gök cisimleri üzerlerindeki varlıklara çekim kuvveti uygular.

Varlıklara gök cisimleri tarafından uygulanan çekim kuvveti kütle çekim kuvveti olarak adlandırılır. Kütle çekim kuvveti Dünya için yer çekimi kuvveti olarak isimlendirilmiştir.

Kütle çekim kuvveti gök cisminin büyüklüğüne bağlıdır. Yani gök cismi ne kadar büyükse kütle çekim kuvveti o kadar büyüktür.

Kütlesi en büyük olan gezegen Jüpiter’dir. Buna göre kütle çekim kuvveti en fazla olan gezegen Jüpiter’dir.

Dünya’daki kütle çekim kuvveti Ay’daki kütle çekim kuvvetinden yaklaşık 6 kat daha fazladır.

Ağırlık:

Eşyalarımızın bir kütlesi vardır. Yer çekimi de bu kütlelere etki etmektedir.

Kütleye etki eden bu yer çekimi kuvvetine ağırlık denir.

Ağırlık kütleye bağlıdır. Yani kütle artarsa ağırlık da artar.

Ağırlık yer çekiminin büyüklüğüne bağlıdır. Yani yer çekiminin büyüklüğü artarsa ağırlık da artar.

Dünyanın merkezine ne kadar yakın olursanız yer çekimi o kadar fazla olur dolayısıyla ağırlığınızda o kadar fazla olur.

Deniz seviyesinden bir dağın zirvesine doğru çıkıldıkça ağır­lık azalır.

Ağırlık bir kuvvettir. Birimi ise kuvvet birimi olan Newton’dur (N). Kuvvetin dinamometre ile ölçüldüğünü

biliyorsunuz. O hâlde ağırlık da dinamometre ile ölçülür.

Ay’ın çekim kuvveti, Dünyanın çekim kuvvetinin 1/6 sı kadardır. Ay’da yer çekimi daha az olduğu için ağırlık da daha azdır. Çünkü ağırlığı kütle ve yer çekimi etkiler.

1.2 Kütle ve Ağırlık Farklı Kavramlardır

Kütle ve ağırlık günlük hayatta çoğunlukla birbirine karıştırılsa da aynı kavramlar değildir.

Kutle, madde miktarının ölçüsüdür. Bir cisim Dünya’nın ya da uzayın neresine

götürülürse götürülsün cisimdeki madde miktarı değişmez. Kütle, eşit kollu terazi ile

ölçülür ve birimi kilogram (kg) ya da gramdır (g).

Bir cismin kütlesi farklı gezegenlerde değişmezken ağırlığı bulunduğu gezegene göre

değişir. Örneğin Dünya’da kütlesi 60 kg olan bir cismin Ay’daki kütlesi de 60 kg’dır. Ancak

aynı cismin Dünya’daki ağırlığı yaklaşık 600 N iken Ay’daki ağırlığı yaklaşık 100 N’dir.

Kütle ve ağırlık arasındaki farklar şu şekilde sıralanabilir:

2. BÖLÜM KUVVET, İŞ VE ENERJI İLİŞKİSİ

2.1 Kuvvet ve İş

Günlük hayatta pek çok işle karşılaşırız. Ancak bu işlerin bazıları fiziksel anlamda iş sayılır. Fiziksel anlamda iş yapılabilmesi için bir cisme kuvvet uygulanmalı ve cisim kuvvet doğrultusunda yol almalıdır. Bu durumda, uygu­lanan kuvvetin fiziksel anlamda iş yaptığı söylenir.

Bebek arabasına uygulanan kuvvet ve bebek arabasının hareket yönü oklarla gösterilmiştir. Uygulanan kuvvet ve hareket yönü aynı olduğundan, bebek arabasını iten kişi fiziksel anlamda iş yapmış olur.

Arabayı iten kişi, kuvvet uygulamasına rağmen arabayı hareket ettiremiyorsa fiziksel anlamda iş yapılmamış olur.

Sırtında çantasını taşıyarak yatay yolda yürüyen öğrenci fiziksel anlam­da iş yapmış sayılmaz. Çünkü öğren­ci, çantasını taşımak için dikey doğ­rultuda kuvvet uygularken öğrencinin aldığı yol yatay doğrultudadır.

Yapılan işin büyüklüğü, cisme uygulanan kuvvetin büyüklüğüne ve cismin yer değiştirme mesafesine bağlıdır. İş, uygulanan kuvvet ve alınan yol ile doğru orantılıdır.

Yerdeki bir cismi 1 metre yüksekliğe taşımak yerine 2 metre yüksekliğe taşırsanız daha çok iş yapmış olursunuz. Çünkü aynı kuvveti uygulayarak cisme daha çok yol aldırırsınız. Elinizdeki cismi belirli yükseklikten bırakırsanız bu sefer de yer çekimi kuvveti iş yapmış olur.

İşin birimi joule (J) şeklinde ifade edilir.

2.2 Enerji ve Enerji Çeşitleri

Enerji, iş yapabilme yeteneğidir. Bu nedenle enerji ve iş birimleri aynıdır.

Enerji, kinetik ve potansiyel enerji olmak üzere sınıflandırılır.

Kinetik Enerji: Cismin hareketinden dolayı kazandığı enerjiye kinetik enerji denir. Bir cismin hareket edebilmesi için o cisme kuvvet uygulanması gerekir. Uygulanan kuvvet arttıkça hareket eden cismin sürati de artar. Süratteki artış kinetik enerjinin de artmasını sağlar.

Bir cismin kinetik enerjisinin büyüklüğü, cismin süratine ve kütlesine bağlıdır.

	Sürati düşük olduğundan kinetik enerjisi küçüktür.
	Sürati yüksek olduğundan kinetik enerjisi büyüktür.

	Kütlesi büyük olanın kinetik enerjisi daha büyüktür.
	Kütlesi küçük olanın kinetik enerjisi de küçük olur.

Potansiyel Enerji

Bazı cisimler, konumlarından dolayı iş yapabilme yeteneğine sahiptir. Cisimlerin konumlarından dolayı sahip oldukları enerjiye potansiyel enerji denir.

Belirli yükseklikte bulunan cisimler, yer çekimi kuvvetinin etkisi ile çekim potansiyel enerjisine sahip olur.

Çekim potansiyel enerjisi cisimlerin ağırlığı ve bulundukları yükseklik ile doğru orantılıdır.

Yani yükseklik artarsa çekim potansiyel enerjisi de artar.

Cisimlerin sahip oldukları çekim potansiyel enerjisi yükseklik arttıkça artar. Farklı yükseklik­te bulunan özdeş cisimler kum üzerine bırakıldı­ğında, yüksekte bulunanın kumda daha derin iz bıraktığı görülür.	Cisimlerin sahip oldukları çekim potansiyel enerjisi ağırlık arttıkça artar. Aynı yükseklikte bulunan farklı ağırlıktaki cisimler kum üzerine bırakıldığında, ağırlığı fazla olanın kumda daha derin iz bıraktığı görülür.

Raftaki kitaplar, gökyüzündeki balonlar, daldaki elma yere göre belli bir yükseklikte bulunduğu için çekim potansiyel enerjisine sahiptir.

Esnek cisimlerin sıkışması ve gerilmesi sonucunda sahip olduğu enerjiye

(depolanan enerjiye) esneklik potansiyel enerjisi denir. Sıkışma miktarı arttıkça esneklik potansiyel enerjisi artar.

Okçunun gerdiği yay, kurulmuş zemberekli saat, sıkılmış sünger gibi esnek cisimler esneklik potansiyel enerjisine sahiptir.

3. BÖLÜM ENERJİ DÖNÜŞÜMLERİ

3.1 Kinetik ve Potansiyel Enerji Dönüşümleri

Belli bir yükseklikten yere doğru serbest bırakılmış bir cisim düşünelim. Bu cisim başlangıçta bir potansiyel enerjiye sahiptir.

Cismin yüksekliği azaldıkça potansiyel enerjisi azalır ve bu sırada cismin sürati artacağı için kinetik enerjisi artar.

Yani cisim düşerken potansiyel enerjisi azalır, kinetik enerjisi artar. Kinetik enerji ile yere çarpan top yerin şeklini değiştirebilir.

Hatta az da olsa yerin ısınmasını sağlar. İlk konumdan son konuma gelinceye kadar topun sahip olduğu enerji türü değişmiş ancak toplam enerji miktarı aynı kalmıştır. Buna enerjinin korunumu denir. Buna göre enerji bir türden başka bir türe dönüşebilir ancak hiçbir zaman yok olmaz.

Potansiyel enerji ve kinetik enerji arasında gerçekleşen dönüşümü salıncakta sallanan bir çocuğun hareketini inceleyerek görebiliriz.

Bir maddenin sahip olduğu kinetik ve potansiyel enerjilerin toplamı “mekanik enerji” olarak da adlandırılır.

3.2 Sürtünme Kuvveti ve Kinetik Enerji

Bir yüzeyde hareket eden cisimlere yüzey tarafından uygulanan hareket engelleyici kuvvete SÜRTÜNME KUVVETİ denir.

Sürtünme kuvveti daima yüzeye paralel ve harekete zıt yönlüdür. Cismin enerji kaybetmesine neden olur. Kaybolan bu enerji ısı enerjisine dönüşür.

Sürtünme kuvvetinin büyüklüğü cismin ağırlığına ve temas eden yüzeylerin pürüzlü-pürüzsüz olmasına bağlıdır.

Sürtünme kuvveti temas eden yüzeylerin büyüklüğüne baglı degildir.

Hava ve su da içinde hareket eden cisimlere sürtünme kuvveti uygular. Havanın içinde hareket eden bir cisme hareketini engelleyici yönde etki eden sürtünme kuvvetine hava direnci denir.

Suda hareket eden bir cisme etki eden sürtünme kuvvetine ise su direnci denir.

Hava ve su direnci de cisimlerin süratinin dolayısıyla kinetik enerjisinin azalmasına neden olur. Bu nedenle hava ve suda hareket eden araçlar tasarlanırken hava ve su direncini azaltacak şekilde tasarlanır.

Yolcu veya yük taşımak için kullanılan bütün araçlar amacına uygun gövde tasarımıyla üretilir. Bu tasarımlarda zaman zaman doğadaki bazı canlılardan esinlenilir. Örneğin kuşların gagalarının sivri olmasından ve “v” düzeninde uçmalarından esinlenerek uçakların burnu sivri biçimde yapılır. Otomobillerin hızlı yol alabilmesi için tasarımları “aerodinamik” yani hava sürtünmesini en aza indirecek şekilde tasarlanır.