Kuvvet ve Hareket Ünitesi
1. Yayları Tanıyalım 2. İş ve Enerji 3. Basit Makineler
4. Enerji ve Sürtünme Kuvveti
Dünya’nın yedi harikasından biri olan Mısır Piramitleri günümüzden binlerce yıl önce yapılmıştır. 138 metre yüksekliğinde olan bu dünya harikasının yapımında kütlesi 2 ile 70 ton arasında değişen 2 500 000’e yakın blok taşın kullanıldığı bilinmektedir. Bütün teknolojik gelişmelere rağmen bu büyüklükteki bir yapının günümüzde dahi inşa edilmesinin çok kolay olmadığı bilinen bir gerçektir. Buna göre sizce eski Mısırlılar çok ağır blok taşları kaldırmak için ne tür araçlar kullanmış olabilirler?
Günlük konuşmalarda “enerji” kavramını “Enerjimiz yetersiz.”, “Enerji fiyatları gittikçe
artıyor.”, “Enerji tasarrufu yapmalıyız.” gibi ifadelerlesıkça kullanırız. Enerji denilince
aklımıza “elektrik,ışık, benzin, doğalgaz, kömür, güneş, pil ve rüzgâr” gelir.Şehirlerimiz enerji sayesindeaydınlanır. Trenler, arabalar, uçaklar ve roketler enerji sayesinde hareket eder. Evlerimizi ısıtmak, yemek pişirmek, radyoda müzik dinlemek, televizyonda görüntü oluşturmak için de enerji gerekir. Bitkiler kendi besinlerini ışık enerjisini kullanarak üretir. Bir iş yapabilmek için enerjiye ihtiyaç duyarız. Hayvanlar, ihtiyaç duydukları enerjiyi yedikleri besinlerde depolanmış olan enerjiden elde eder. Peki bizim için bu kadar önemli olan enerji nasıl tanımlanır? Yukarıda sıralanan örneklerde enerjinin farklı biçimlerde olabileceğini fark ettiniz. Günlük işlerimizi yaparken harcadığımız enerji ile bir okun fırlamasına sebep olan enerji aynı türde değildir. Enerji farklı araç ve gereçlerle çalışma sırasında başka biçim-deki enerjilere dönüşebilir. Biz bu ünitede kinetik ve potansiyel enerji üzerinde duracağız. Bu sırada birbirine sürtünen bütün cisimlerde enerji kaybı yaşanacağını, kullanılmayan bu enerjinin başka tür enerjiye dönüşeceğini belirteceğiz. Enerjiye sahip sistemlerdeki enerji kaybını en aza indirmek için nelerin yapılmakta olduğunu inceleyeceğiz.
Yayları Tanıyalım
Uzun ve yorucu bir ders yılının sonunda tatil nihayet gelip çatmıştı. Hava da çok güzel olunca lunaparka gitme isteğimi geri çevirmeyen ailemle yola koyulduk. Parkın yakınlarına geldiğimizde birkaç kişinin belli aralıklarla havada yükselip alçaldığını gördük. Daha da yaklaşınca bu kişilerin mutluluk ve heyecandan çığlık attıklarını duyduk. Lunaparka vardığımızda merakla çığlık atan insanların bulunduğu yere yöneldik. Burada insanlar trombolin üzerinde esnek atlama (bungee jumping) yapıyorlardı. Sizce atlayan kişiler bellerine bağladıkları esnek atlama ipi ve trombolinin hangi özelliği sayesinde havada metrelerce yükselebiliyorlar?
• Bu insanlar daha çok yükselebilmek için nasıl hareket ediyorlar?
• İnsanlar aynı hareketi esnek atlama ipi ile çimlerin üzerinde yapsalardı yine aynı yüksekliğe çıkabilirler miydi?
• Zıplayan kişilerin ağırlığı değişse esnek atlama ipi ile trombolindeki esneme miktarı değişir mi? Neden?
• Sizce esnek atlama ipinin ve trombolinin esnemesinin bir sınırı var mıdır? Bu cisimlerin esneme özelliğini ortadan kaldırmak mümkün müdür?
Bir boneyi belli şiddette kuvvet uygulayıp germeden giymek mümkün değildir. Uygulanan kuvvet ortadan kalktığında ise eski hâline dönmeye çalışmasını başımızda hissettiğimiz baskıdan anlarız. Kullandığımız kazak ve çorapları da belli oranda gererek giyeriz. Bir süngeri sıkarak
avucumuzun içine alabiliriz bıraktığımızda ilk hâline döndüğünü görürüz. Bu örneklerde olduğu gibi bazı cisimlere yeterli derecede kuvvet uygulandığında şekillerinde değişiklikler meydana gelir. Uygulanan kuvvet ortadan kalktığında ise cisimlerin ilk durumlarına döndüğü görülür. Bu tür cisimlere esnek cisimler denir. Esnek cisimlerin sahip olduğu bu özellik ise esneklik olarak adlandırılır. Lastik top, şişirilmiş balon, bisiklet selesi ve yataklarda kullanılan sarmal yaylar birer esnek cisimdir. Bununla beraber oyun hamuru ve cam macunu gibi maddeler, uygulanan kuvvet karşısında şekil değiştirirken kuvvet ortadan kalktığında eski hâline dönmez. Bu sebeple oyun hamuru ve cam macunu esnek madde olarak değerlendirilmez.
Yaylar, uygulanan kuvvete esneme ve sıkışma şeklinde meydana gelen bir dizi şekil değişikliği ile cevap verir. Bir yaya sıkıştırma kuvveti uygulandığında yay esnekliğinden dolayı eski hâline dönmek için kendisine uygulanan kuvvete eşit ve zıt yönde bir tepki kuvveti uygular. Kuvvet arttırıldığında yayda oluşan sıkışma miktarı ve tepki kuvveti de artar. Bunun yanında yayın sıkıştırılması için uygulanan kuvvet ortadan kalktığında ise yayın eski hâline dönme hızı artar. Aynı tepki yaya germe kuvveti uygulanarak da gözlenebilir. Bu durumu yandaki şekli inceleyerek anlamaya çalışalım. Yayın ucuna bir cisim asıldığında cisim ağırlığından dolayı yaya bir kuvvet uygular. Yay da asılı olduğu cisme yukarı doğru ve eşit şiddette bir kuvvet uygular. Bu sırada yayın ucu aşağı yukarı kısa bir süre hareket eder.
Günlük hayatta kullanılan dinamometrelerdeki yaylar, ölçülecek ağırlığa göre seçilir. Başka bir ifadeyle dinamometrelerde kullanılan yayların kalınlığı, boyu, sarım sıklığı ve yapıldığı maddenin cinsi, yapacağı ölçüm aralığının belirlenmesini sağlar.
İnce yaydan yapılan bir dinamometre 0 - 20 N arasında ölçüm yaparken kalın yaydan yapılanı 0 - 50 N arasında ölçüm yapabilir. Daha büyük cisimlerin ağırlıklarını ölçmek için kullanılacak el kantarlarında ise çok daha kalın yaylar kullanılır. Ağırlık ölçmek için yapılan araçların çalışması yapısındaki yayın gerilmesi yanında sıkışmasına da dayanır.
İş ve Enerji
Günlük hayatımızda inşaat işçilerinin iş yapması, bir çevirmenin konuşulanları başka bir dile çevirmesi, öğrencinin kitap dolu çantasını taşıması, iş yerinde gün boyunca dosyalarla uğraşan bir kişinin çalışması “ iş” olarak nitelendirilir. Peki, emek harcayıp yorulsalar da fiziksel anlamda iş yapmış olurlar mı?
“İş” kelimesi, günlük hayatımızda spor yapmaktan bahçeyi kazmaya kadar yapılan her bir faaliyet için kullanılabilmektedir. Yaptığımız bütün faaliyetleri günlük hayatta iş olarak adlandırırız.
• Beyin gücüyle çalışmak da ağır bir iş sayılır mı? Oyun oynamak, kitap okumak da birer iş midir?
• Günlük hayatta algıladığımız iş kavramı ile bilim insanlarının tanımladıkları fiziksel anlamdaki iş kavramı aynı mıdır?
• Peki, iş kelimesi hakkında siz ne düşünüyorsunuz? Sizce hangi durumlarda iş yapılmış olur?
Fiziksel anlamda iş olabilmesi için;
• Cisme bir kuvvet uygulanmalıdır.
Bilimsel anlamda bir işin yapılmış olması için cisme kuvvet uygulamak yeterli değildir. Kuvvet uyguladığımız hâlde cisim hareket etmiyorsa yani yer değiştirmiyorsa iş yapılmış olmaz.
Büyük bir taşı yerinden kaldırmaya çalıştığımızda, ne kadar yorulmuş olursak olalım, eğer uyguladığımız kuvvet, taşın yerini değiştirmiyorsa fiziksel anlamda iş yapmış olmayız. “Ne
Zamanİş Yaparız?” etkinliğinde duvarıittiğimizde duvarın yerini değiştiremediğimizden iş
yapmış olmayız. Sırt çantasını takıp taşıdığımızda da çantaya uyguladığımız kuvvetle hareket yönü aynı olmadığından iş yapmış olmayız. Çantayı yukarı doğru kaldırırken, kitapları sıranın üzerinde iterek hareket ettirirken uygulanan kuvvet doğrultusunda çanta ve kitaplar yer değiştirdiğinden fiziksel anlamda iş yapılmış olur.
Fotoğraftaki kişiler arabaya hareket doğrultusunda kuvvet uyguladıkları hâlde arabayı hareket ettiremiyorlar. Araba, uygulanan kuvvet doğrultusunda yol almadığı için fiziksel anlamda iş yapılmamış olur.
Yapılan işin büyüklüğü, cisme uygulanan kuvvetin büyüklüğüne ve cismin yer değiştirme mesafesine bağlıdır. İş, uygulanan kuvvet ve alınan yol ile doğru orantılıdır. Yandaki resimde görülen öğrenci; ilk resimde yerden aldığı bir kitabı, ikinci resimde ise iki kitabı masanın üstüne koymaktadır. Kitaplar her iki resimde de aynı yüksekliğe konulmaktadır. İki kitap bir kitaptan iki kat daha ağırdır. İki kitabı kaldırmak için uygulanan kuvvet, bir kitabı kaldırmak için uygulanan kuvvetin iki katıdır. Bu sebeple yapılan iş de iki kat fazladır. Tuğlaları üst üste koyarak duvar ören bir ustanın tuğlaları koyduğu yükseklik yani tuğlanın aldığı yol her seferinde arttığından ustanın yaptığı iş de giderek artar.
Yüksekten bırakılan bir cismin yere düşmesiyle iş yapılmış olur mu? Kitaplıktan aşağı düşen bir kitabı düşünelim. Kitabı aşağı doğru hareket ettiren yer çekimi kuvvetidir. Hem yer çekimi kuvvetinin etkisiyle hem de bu etki ile aynı doğrultuda hareket ettiği için kitap, fiziksel anlamda iş yapar.
Kuvvet birimini olan Newton’un “N” harfi ile yer değiştirme birimi olan metrenin de
“m” harfiyle gösterildiğini biliyoruz. İş birimi ise kuvvet ve yer değiştirme birimlerinin çarpımı
olan “Newton.metre” dir. N.m’ye özel olarak “Joule” denir. Kısaca “J” ile gösterilir. 1N’luk bir kuvvet, bir cisme etki ettiği doğrultuda 1 m yer değiştirtiyorsa 1 J kadar iş yapılmış olur.
“Yapılan işin büyüklüğü,cisme uygulanan kuvvetin ve kuvvet doğrultusunda yapılan yer değiştirme miktarının büyüklüğüne bağlıdır.” diyebiliriz.
Bir cisme 20 m yol aldırmak için 10 N’luk kuvvet uyguladığımızda yapılan iş 200 J olurken 20 N’luk kuvvet uyguladığımızda yapılan iş 400 J olur.
Enerji Nedir?
Günlük hayatta yapmış olduğumuz her faaliyette kuvvet uygulamamız gerektiğini biliyoruz. Peki, bu kuvvetin kaynağı nedir? Her canlının hayatını sürdürebilmesi için enerjiye ihtiyacı vardır. İhtiyaç duyulan bu enerjinin kaynağı besinlerde saklıdır. O hâlde “Çeşitl
ifaaliyetleri yapmak için cisimlere uyguladığımız kuvvetin kaynağı, besinlerden sağladığımız enerjidir.” diyebilir miyiz?
Günlük işlerimizi yapmanın yanında ısınmak, aydınlanmak, elektrikli ev aletlerini çalıştırmak, fabrikalarda üretim yapmak, ulaşım araçlarını hareket ettirmek için enerji gereklidir.
İlk insanlar temel ihtiyaçları için gerekli olan enerjiyi sadece Güneş’ten sağlıyorlardı. Güneş enerjisi etrafımızı ısıtıp aydınlatırken bitkilerin de kendi besinlerini üretmesini sağlar. Zaman içerisinde insanlar var olan birçok enerji kaynağını kullanılır hâle getirmişlerdir. Güneş,