AYT İŞ, GÜÇ, ENERJİ VE ENERJİNİN KORUNUMU

0
28
AYT iş güç enerji ve enerjinin korunumu fizik konu anlatımı

AYT iş, güç, enerji ve enerjinin korunumu konu anlatımı kapsamında kuvvetin bir cisme enerji aktarması, hareket ile konumdan kaynaklanan enerji türleri, mekanik enerjinin korunma koşulları ve enerji dönüşümlerinin zamana bağlı hızı işlenecektir.
AYT fizik konularının tamamına AYT konu anlatımı arşivinden ulaşabilirsiniz.

İş ve İş-Enerji İlişkisi

Fiziksel anlamda iş, bir kuvvetin etkidiği cismin kuvvet doğrultusunda bir yer değiştirme bileşenine sahip olmasıyla gerçekleşen enerji aktarımıdır. İş W ile gösterilen skaler bir büyüklüktür; SI birimi joule (J) olup 1 J = 1 N·m eşitliğine sahiptir.

Sabit Kuvvetin Yaptığı İş ve İşaret

Büyüklüğü ve yönü değişmeyen bir kuvvetin yaptığı iş W = F·Δx·cosθ bağıntısıyla hesaplanır. Burada F kuvvetin büyüklüğü, Δx yer değiştirmenin büyüklüğü, θ ise kuvvet ile yer değiştirme vektörleri arasındaki açıdır. Bu bağıntı, yalnız kuvvetin yer değiştirmeye paralel bileşeninin iş yaptığını gösterir.

Kuvvet ile yer değiştirme arasındaki açıya göre pozitif sıfır ve negatif iş

Kuvvet hareket yönünü destekliyorsa θ<90° ve iş pozitiftir; cismin enerjisi artabilir. Kuvvet harekete karşıysa θ>90° ve iş negatiftir; cismin enerjisi azalabilir. Kuvvet yer değiştirmeye dikse θ=90° olduğundan iş sıfırdır. Yatay yolda ağırlık ve normal kuvvetin, düzgün çembersel harekette merkezcil kuvvetin yaptığı iş bu duruma örnektir.

Dikkat

Bir kuvvetin cisme etki etmesi tek başına iş yapılması için yeterli değildir. Yer değiştirme yoksa veya kuvvet yer değiştirmeye dikse kuvvetin yaptığı iş sıfırdır; kuvvetin büyüklüğünün sıfır olması gerekmez.

Örnek - 1

Yatay düzlemdeki 4 kg kütleli blok, büyüklüğü 20 N olan kuvvetle şekildeki gibi 5 m çekiliyor. Kinetik sürtünme katsayısı 0,25; sin37°=0,6, cos37°=0,8 ve g=10 m/s² olduğuna göre blok üzerinde yapılan net iş kaç joule’dür?

Eğik kuvvetle çekilen sürtünmeli yatay blok
A) 20
B) 35
C) 45
D) 60
E) 80

Kuvvetin düşey bileşeni Fsin37°=12 N olduğundan normal kuvvet N=mg-12=28 N‘dır. Sürtünme kuvveti fk=μkN=7 N bulunur. Çekme kuvvetinin işi 20·5·0,8=80 J, sürtünmenin işi -7·5=-35 J‘dır. Ağırlık ve normal kuvvet iş yapmaz. Net iş 80-35=45 J olur.

Cevap: C

Değişken Kuvvet ve Kuvvet-Konum Grafiği

Kuvvet konuma göre değişiyorsa tek bir F·Δx çarpımı bütün hareketi temsil etmez. Kuvvet-konum grafiğinde eğri ile konum ekseni arasında kalan işaretli alan, kuvvetin yaptığı işi verir. Eksenin üstündeki alan pozitif, altındaki alan negatiftir; net iş bu alanların cebirsel toplamıdır.

Kuvvet konum grafiğinde pozitif ve negatif iş alanları

Parçalı doğrusal grafikte her bölüm dikdörtgen, üçgen veya yamuk alanı olarak ayrı hesaplanır. Kuvvetin sıfır olduğu konum, o ana kadar yapılmış işi ortadan kaldırmaz; yalnız o noktadaki anlık iş katkısı sıfırdır.

Net İş ve Kinetik Enerji Değişimi

Bir cisme etki eden bütün kuvvetlerin yaptığı işlerin toplamı net iştir. Net iş, cismin öteleme kinetik enerjisindeki değişime eşittir:

Net işWnet=ΣW

Kinetik enerji değişimiWnet=ΔEk=½mvson²-½mvilk²

Net iş pozitifse kinetik enerji artar, negatifse azalır, sıfırsa kinetik enerji değişmez. Kinetik enerji skaler olduğundan hızın yönüne değil süratin karesine bağlıdır. Tek boyutlu harekette kinetik enerji-konum grafiğinde iki konum arasındaki ΔEk/Δx oranı, bu aralıktaki ortalama net kuvveti verir. Grafik ilgili aralıkta doğrusal ise eğim sabittir ve bu değer net kuvvete eşittir. Eğri grafikte belirli bir konumdaki net kuvvet, o noktaya çizilen teğetin eğiminden belirlenir.

Örnek - 2

Doğrusal yolda hareket eden bir cisme etki eden net kuvvetin konuma bağlı değişimi şekilde verilmiştir. Cismin başlangıç kinetik enerjisi 18 J olduğuna göre x=7 m konumundaki kinetik enerjisi kaç joule’dür?

Parçalı doğrusal net kuvvet konum grafiği
A) 48
B) 54
C) 60
D) 66
E) 72

0-2 m aralığındaki üçgen alan 12 J, 2-5 m aralığındaki dikdörtgen alan 36 J‘dır. 5-7 m aralığında kuvvet 12 N’dan -6 N’a doğrusal değiştiği için iş yamuk alanından [(12-6)/2]·2=6 J olur. Net iş 54 J‘dır. İş-enerji teoremine göre Ek,son=18+54=72 J bulunur.

Cevap: E

Örnek - 3

Bir cismin kinetik enerjisinin konuma bağlı değişimi şekilde verilmiştir. K-L uzaklığı 3 m, L-M uzaklığı 2 m olduğuna göre L-M aralığındaki net kuvvetin K-L aralığındaki net kuvvete oranı kaçtır?

K L M noktalarında kinetik enerji konum grafiği
A) -3/2
B) -1
C) -2/3
D) 2/3
E) 3/2

K-L aralığında eğim (50-20)/3=10 N‘dır. L-M aralığında eğim (20-50)/2=-15 N‘dır. İstenen oran -15/10=-3/2 olur. Negatif işaret, L-M aralığında net kuvvetin hareket yönüne karşı olduğunu gösterir.

Cevap: A

Örnek - 4

Kütlesi 2 kg olan bir cisim yatay doğrultuda 4 m/s hızla hareket ederken, hareket yönündeki net kuvvet konuma bağlı olarak F=4x bağıntısıyla değişiyor. Kuvvet x=0 ile x=3 m arasında etkidiğine göre cismin x=3 m’deki sürati kaç m/s olur?

A) √26
B) 4√2
C) √34
D) 6
E) 2√10

F-x grafiği 0 ile 3 m arasında tabanı 3 m, yüksekliği 12 N olan üçgendir; net iş 18 J‘dır. Başlangıç kinetik enerjisi ½·2·4²=16 J olduğundan son kinetik enerji 34 J olur. ½·2·v²=34 eşitliğinden v=√34 m/s bulunur.

Cevap: C

Kinetik ve Potansiyel Enerji

Kinetik Enerji

Bir cismin hareketinden dolayı sahip olduğu enerjiye kinetik enerji denir ve Ek=½mv² bağıntısıyla hesaplanır. Kütle iki katına çıktığında aynı süratte kinetik enerji iki katına, sürat iki katına çıktığında dört katına çıkar. Kinetik enerjinin referans çerçevesine bağlı olması, süratin seçilen gözlemciye göre ölçülmesinden kaynaklanır.

Yer Çekimi Potansiyel Enerjisi ve Referans Düzeyi

Yeryüzüne yakın bölgede bir cismin seçilen referans düzeyine göre yüksekliğinden kaynaklanan enerji Ep,g=mgh bağıntısıyla ifade edilir. h cismin referans düzeyine göre düşey konumudur; eğik yolun uzunluğu değildir. Potansiyel enerjinin sıfır değeri seçime bağlıdır, fakat ΔEp,g=mg(hson-hilk) farkı fiziksel sonuçları değiştirmez.

Yer çekimi kuvveti konservatif kuvvettir. Bu nedenle yaptığı iş yola değil yalnız ilk ve son yüksekliğe bağlıdır ve Wg=-ΔEp,g eşitliği geçerlidir. Cisim aşağı inerken yer çekimi pozitif iş yapar ve potansiyel enerji azalır; yukarı çıkarken bunun tersi gerçekleşir.

Örnek - 5

Sürtünmesiz rayın K noktasından serbest bırakılan cismin L ve M noktalarındaki süratleri sırasıyla vL ve vM‘dir. Buna göre vL/vM oranı kaçtır?

K L M noktaları ve yükseklikleri verilen sürtünmesiz ray
A) √2/2
B) 1
C) √2
D) 2
E) 2√2

K’den L’ye düşey yükseklik farkı 4h olduğundan vL²=2g·4h=8gh‘dir. K’den M’ye yükseklik farkı 2h olduğundan vM²=4gh olur. Oran vL/vM=√(8gh/4gh)=√2‘dir.

Cevap: C

Hooke Yasası ve Esneklik Potansiyel Enerjisi

Denge konumundan x kadar uzatılan veya sıkıştırılan ideal yayın geri çağırıcı kuvveti Fyay=-kx bağıntısına uyar. k yay sabitidir ve birimi N/m’dir. Eksi işareti geri çağırıcı kuvvetin uzama ya da sıkışma yönüne zıt olduğunu belirtir. Yayın depoladığı esneklik potansiyel enerjisi Ep,yay=½kx²‘dir.

Yay kuvveti ve esneklik potansiyel enerjisinin uzamaya bağlı grafikleri

Yay kuvveti uzamayla doğrusal, esneklik potansiyel enerjisi uzamanın karesiyle değişir. Bir yay eşit uzunlukta iki parçaya ayrılırsa her parçanın yay sabiti 2k olur. Yayların seri ve paralel bağlanması, sistemin eşdeğer yay sabitini değiştirir; enerji hesabında her yayın kendi şekil değiştirme miktarı kullanılmalıdır.

Örnek - 6

Sürtünmesiz yatay düzlemde iki yaya bağlı m kütleli blok denge konumundan sağa x kadar ötelenip serbest bırakılıyor. Blok denge konumundan geçerken sürati kaçtır?

Yay sabitleri k ve 3k olan karşılıklı iki yay düzeneği
A) x√(k/m)
B) √2x√(k/m)
C) 2x√(k/m)
D) x√(6k/m)
E) 4x√(k/m)

Blok sağa x kadar ötelenince soldaki yay x kadar uzar, sağdaki yay x kadar sıkışır. Başlangıçtaki toplam esneklik enerjisi ½kx²+½·3k·x²=2kx²‘dir. Denge konumunda bu enerjinin tamamı kinetik enerjiye dönüşür: ½mv²=2kx². Buradan v=2x√(k/m) bulunur.

Cevap: C

Örnek - 7

Yay sabiti k olan düzgün bir yay tavana asıldığında ucuna bağlanan m kütlesi dengeye geliyor ve yayda E kadar enerji depolanıyor. Yayın yarısı alınarak oluşturulan yeni yayın ucuna 2m kütlesi asılırsa denge durumunda depolanan enerji kaç E olur?

A) 1/2
B) 1
C) 2
D) 4
E) 8

İlk durumda uzama x=mg/k, enerji E=½k(mg/k)²=m²g²/(2k)‘dir. Yay yarıya inince yeni yay sabiti 2k olur. 2m kütlesinin oluşturduğu uzama x’=2mg/(2k)=mg/k‘dır. Yeni enerji E’=½·2k·(mg/k)²=m²g²/k=2E bulunur.

Cevap: C

Örnek - 8

2 kg kütleli blok, yay sabiti 800 N/m olan yayı 0,30 m sıkıştırdıktan sonra serbest bırakılıyor. Bütün yüzeyler sürtünmesiz olduğuna göre blok eğik düzlemde başlangıç seviyesinden en fazla kaç metre yükselir? g=10 m/s².

Sıkışmış yaydan sürtünmesiz eğik düzleme çıkan blok
A) 0,9
B) 1,2
C) 1,5
D) 1,8
E) 2,4

Yaydaki başlangıç enerjisi ½·800·(0,30)²=36 J‘dır. En yüksek noktada blok anlık olarak durur ve enerji yer çekimi potansiyel enerjisine dönüşür. mgh=36 eşitliğinde 2·10·h=36 olduğundan h=1,8 m bulunur. Eğik düzlemin açısı sonucu etkilemez; önemli olan düşey yüksekliktir.

Cevap: D

Mekanik Enerji ve Enerjinin Korunumu

Bir sistemin kinetik enerjisi ile potansiyel enerjilerinin toplamına mekanik enerji denir: Em=Ek+Ep,g+Ep,yay. Enerjinin korunumu, enerjinin yok olmadığını; sistem sınırları içinde tür değiştirdiğini veya çevreyle aktarılabildiğini ifade eder.

Sürtünmesiz Sistemlerde Mekanik Enerjinin Korunumu

Sistemde yalnız yer çekimi ve ideal yay kuvveti gibi konservatif kuvvetler iş yapıyorsa mekanik enerji sabittir. İki konum arasında Ek,ilk+Ep,ilk=Ek,son+Ep,son yazılır. Normal kuvvet yola dik kaldığı sürece iş yapmaz ve mekanik enerji eşitliğine enerji kaybı terimi eklenmez.

Sürtünmesiz rayda kinetik ve potansiyel enerji dönüşümü

Aynı yükseklikteki iki noktada potansiyel enerji eşit olduğundan, mekanik enerji korunuyorsa süratler de eşittir. Cismin izlediği yolun biçimi son sürati değiştirmez; yol yalnız hareket süresini ve normal kuvveti etkileyebilir.

Örnek - 9

Sürtünmesiz rayın K noktasından serbest bırakılan cismin L ve M noktalarındaki süratleri vL ve vM‘dir. Buna göre vL/vM oranı kaçtır?

K noktası 6h L noktası h M noktası 4h yükseklikte olan sürtünmesiz ray
A) √10/5
B) √5/2
C) √10/2
D) 5/2
E) √5

K-L arasındaki düşey fark 5h olduğundan vL²=10gh‘dir. K-M arasındaki düşey fark 2h olduğundan vM²=4gh olur. Oran √(10gh/4gh)=√10/2‘dir.

Cevap: C

Sürtünme, Isıya Dönüşen Enerji ve Dış Kuvvet

Sürtünme gibi konservatif olmayan kuvvetler bulunduğunda mekanik enerji tek başına korunmaz. Kayıp olarak adlandırılan mekanik enerji, cismin ve yüzeyin iç enerjisine dönüşür. Sabit kinetik sürtünme kuvveti için ısıya dönüşen enerji Eısı=fk·d‘dir. Enerji dengesi Em,ilk+Wdış=Em,son+Eısı biçiminde yazılabilir.

Sistem sınırı önemlidir. Cisim tek başına sistem seçilirse sürtünme dış kuvvetin yaptığı negatif iş olarak değerlendirilir. Cisim ve yüzey birlikte sistem seçilirse aynı aktarım iç enerji artışı olarak görünür; fiziksel sonuç değişmez.

Örnek - 10

m kütleli cisim K noktasından serbest bırakılıyor. Yalnız L-M aralığı sürtünmeli ve uzunluğu 3d’dir. Cisim N noktasından √(gh) süratiyle geçtiğine göre L-M aralığındaki sabit sürtünme kuvvetinin büyüklüğü nedir?

Yalnız L M arası sürtünmeli olan K L M N rayı
A) mgh/(6d)
B) mgh/(3d)
C) mgh/(2d)
D) 2mgh/(3d)
E) mgh/d

Başlangıç mekanik enerjisi 4mgh‘dir. N’de potansiyel enerji 2mgh, kinetik enerji ½m(gh)=½mgh olur. Isıya dönüşen enerji 4mgh-2,5mgh=1,5mgh‘dir. f·3d=1,5mgh eşitliğinden f=mgh/(2d) bulunur.

Cevap: C

Örnek - 11

Aynı otomobil aynı başlangıç süratiyle önce kuru, sonra ıslak yatay yolda tekerlekleri kilitlenerek frenliyor. Sürtünme katsayıları görselde verildiğine göre ıslak yoldaki durma mesafesinin kuru yoldaki durma mesafesine oranı kaçtır?

Kuru ve ıslak yolda aynı otomobilin frenleme karşılaştırması
A) 1/2
B) 1
C) 3/2
D) 2
E) 4

Başlangıç kinetik enerjisi iki durumda aynıdır. Yatay yolda sürtünmenin işi μmgd olduğundan ½mv²=μmgd yazılır ve durma mesafesi sürtünme katsayısıyla ters orantılıdır. Bu nedenle dıslak/dkuru=0,60/0,30=2 olur.

Cevap: D

Örnek - 12

Şekildeki 1 kg kütleli blok K noktasından 10 m/s süratle geçerek pürüzlü yatay bölgede ilerliyor ve yay sabiti 400 N/m olan yayı sıkıştırıyor. Yay en fazla kaç metre sıkışır? g=10 m/s².

Pürüzlü yatay yolda ilerleyip yaya çarpan blok
A) 0,35
B) 0,40
C) 0,47
D) 0,50
E) 0,55

K’deki kinetik enerji ½·1·10²=50 J‘dır. Yaya ulaşıncaya kadar sürtünme 0,20·1·10·3=6 J enerji dönüştürür. Görselde pürüzlü bölge yayın önünde bittiği için sıkışma sırasında ek sürtünme işi yoktur. Yaya aktarılan 44 J için ½·400·x²=44 yazılır. x=√0,22≈0,47 m bulunur.

Cevap: C

Örnek - 13

Başlangıçta durmakta olan 5 kg kütleli blok, 37° eğimli pürüzlü düzlem boyunca 80 N’lık kuvvetle 4 m yukarı çekiliyor. Verilenlere göre bloğun son sürati kaç m/s’dir? sin37°=0,6, cos37°=0,8, g=10 m/s².

Eğik düzlemde yukarı çekilen sürtünmeli blok
A) 4
B) 4√2
C) 6
D) 8
E) 10

Normal kuvvet N=mgcos37°=40 N, sürtünme kuvveti 10 N, ağırlığın düzlem boyunca bileşeni mgsin37°=30 N‘dır. Net kuvvet 80-30-10=40 N, net iş 40·4=160 J olur. ½·5·v²=160 eşitliğinden v=8 m/s bulunur.

Cevap: D

Örnek - 14

2 kg kütleli blok K noktasından serbest bırakılıyor. Yalnız L-M aralığı pürüzlü, diğer bölümler sürtünmesizdir. Blok yayı en fazla kaç metre sıkıştırır? g=10 m/s².

Yükseklik sürtünmeli bölge ve yay içeren bileşik enerji düzeneği
A) 0,40
B) 0,50
C) 0,57
D) 0,64
E) 0,80

K’deki yer çekimi potansiyel enerjisi mgh=2·10·5=100 J‘dır. L-M arasında sürtünme kuvveti μmg=0,25·2·10=5 N, ısıya dönüşen enerji 5·4=20 J‘dır. Yaya ulaşan 80 J enerji ½kx²‘ye dönüşür. ½·500·x²=80 eşitliğinden x=√0,32≈0,57 m bulunur.

Cevap: C

Güç ve Verim

Ortalama ve Anlık Güç

Güç, yapılan işin veya aktarılan enerjinin zamana oranıdır. Ortalama güç Port=W/Δt=ΔE/Δt bağıntısıyla hesaplanır. SI birimi watt (W) olup 1 W=1 J/s‘dir. Aynı işi daha kısa sürede yapan sistemin ortalama gücü daha büyüktür; yapılan işin miktarı değişmek zorunda değildir.

Kuvvet ile hız aynı anda biliniyorsa anlık güç P=F·v·cosθ bağıntısıyla bulunur. Buradaki θ, kuvvet ile hız vektörleri arasındaki açıdır. Net kuvvetin anlık gücü, kinetik enerjinin değişim hızına eşittir. Güç-zaman grafiğinin altında kalan alan, ilgili sürede aktarılan enerjiyi veya yapılan işi verir.

Örnek - 15

200 kg kütleli bir yük, yerden 12 m yüksekliğe 5 s’de çıkarılıyor ve bu seviyeye 4 m/s süratle ulaşıyor. Yük başlangıçta durduğuna göre kaldırma sisteminin yük üzerinde yaptığı işin ortalama gücü kaç watt’tır? g=10 m/s².

A) 4.800
B) 5.000
C) 5.120
D) 5.600
E) 6.400

Sistemin yaptığı iş, yükün yer çekimi potansiyel ve kinetik enerji artışlarının toplamıdır. ΔEp=200·10·12=24.000 J, ΔEk=½·200·4²=1.600 J‘dır. Toplam iş 25.600 J olduğundan ortalama güç 25.600/5=5.120 W bulunur.

Cevap: C

Örnek - 16

Başlangıçta durmakta olan 2 kg kütleli bir cisme aktarılan net gücün zamana bağlı grafiği şekilde verilmiştir. Cisim t=7 s anında kaç m/s sürate ulaşır?

Parçalı doğrusal güç zaman grafiği
A) 10√10
B) 20√5
C) 10√30
D) 30√2
E) 20√3

P-t grafiğinin alanı kinetik enerji artışını verir. İlk üçgenin alanı 600 J, dikdörtgenin alanı 1.800 J, son üçgenin alanı 600 J‘dır. Toplam 3.000 J için ½·2·v²=3.000 yazılır. v=√3000=10√30 m/s bulunur.

Cevap: C

Örnek - 17

Yatay yolda 15 m/s süratle ilerleyen otomobile hareket yönünde 1.200 N çekiş kuvveti, harekete zıt yönde 600 N toplam direnç kuvveti etki etmektedir. Bu anda otomobilin kinetik enerjisinin artış hızı kaç kilowatt’tır?

A) 6
B) 9
C) 12
D) 18
E) 27

Kinetik enerjinin artış hızı net güce eşittir. Net kuvvet 1.200-600=600 N‘dır. Kuvvet ve hız aynı yönlü olduğundan Pnet=Fnetv=600·15=9.000 W=9 kW bulunur. Motorun ürettiği 18 kW gücün 9 kW’ı dirençlere karşı harcanmaktadır.

Cevap: B

Verim

Bir sistemin yararlı enerji veya güç çıktısının toplam girişe oranına verim denir. η=Eyararlı/Egiriş=Pyararlı/Pgiriş bağıntısı kullanılır. Gerçek makinelerde sürtünme, elektriksel direnç, ses ve deformasyon gibi etkiler nedeniyle verim 1’den küçüktür; yüzde değer için oran 100 ile çarpılır.

Örnek - 18

Verimi %75 olan bir pompa, dakikada 100 kg suyu 12 m yukarı çıkarıp 6 m/s süratle fırlatıyor. Pompanın giriş gücü yaklaşık kaç watt’tır? g=10 m/s².

A) 230
B) 276
C) 307
D) 360
E) 410

Bir dakikada suya aktarılan yararlı enerji mgh+½mv²=100·10·12+½·100·6²=13.800 J‘dır. Yararlı güç 13.800/60=230 W olur. η=Pyararlı/Pgiriş bağıntısından Pgiriş=230/0,75≈307 W bulunur.

Cevap: C

CEVAP VER

Lütfen yorumunuzu giriniz!
Lütfen isminizi buraya giriniz