Kuvvet ve Enerji

Bu ünitede 3 bölüm bulunmaktadır:

1. Bölüm: Kütle ve Ağırlık İlişkisi
2. Bölüm: Kuvvet, İş ve Enerji İlişkisi
3. Bölüm: Enerji Dönüşümleri

Bu bölümde; kütle ve ağırlık kavramlarını, yer çekiminden kaynaklanan gök cisimleri arasındaki kütle çekimini, fiziksel anlamda işi, kuvvet-iş ve enerji arasındaki ilişkiyi, enerji çeşitlerini, sürtünme kuvvetinin enerji üzerindeki etkisini öğreneceğiz. Ayrıca hava ve su direncinin etkilerine yönelik tasarım yapacağız.

1. BÖLÜM: KÜTLE VE AĞIRLIK İLİŞKİSİ
   Anahtar Kavramlar
   • Kütle
   • Ağırlık
   • Yer çekimi
   • Kütle çekimi

Dünya, üzerinde bulunan her varlığı merkezine doğru çeker. Elimizle yukarı doğru attığımız bir silgi, eninde sonunda, aşağıya doğru yönelerek yere düşer. Zıpladığımızda ya da bir yerden atladığımızda yere düşeriz. Bütün bunlar, yerkürenin bizi kendine doğru çekmesinden ileri gelir. Dünya’nın, bize ve tüm varlıklara uyguladığı bu kuvvete yer çekimi kuvveti denir.

Yer çekiminin yönü yerin merkezine doğrudur. Dünya tüm cisimleri merkezine doğru çekmek ister. Bu sebeple ayaklarımız üzerinde yürüyebilir, bir bardağa su doldurabilir ve bir kaşık yardımıyla çorba içebiliriz.

Yerkürenin çekimi tek yönlü değildir. Karşılıklı kütleler arasında bir çekim kuvveti vardır. Bu kuvvete kütle çekim kuvveti denir. Yerkürenin yanı sıra, üzerindeki cisimler de yerküreye bir çekim kuvveti uygular. Ancak yerkürenin kütlesine oranla cisimlerin kütlesi çok küçük olduğundan, yerkürenin çekim etkisi daha etkili hissedilir. Dünya ile Ay arasındaki çekim kuvveti, birbirlerine göre olan konumlarını ve hareketlerini etkiler. Evrendeki tüm kütleler arasında bir çekim kuvveti vardır.

Dünya’nın bizlere ve varlıklara uyguladığı kütle çekiminin adı yer çekimi kuvvetidir. Dünya üzerindeki cisimlere etki eden yer çekimi kuvvetine ağırlık da denir. Ağırlık da bir kuvvet olduğu için dinamometre ile ölçülür.

Bir kütleyi dinamometreye astığımızda yayda uzamaya sebep olan kuvvet, yer çekimi kuvvetidir. Ağırlık, cisimlerin kütlelerine etki eden yer çekimi kuvveti olduğu için cisimleri yerin merkezine doğru çekerek dinamometredeki yayın uzamasına sebep olur. Ağırlığı dinamometre ile ölçeriz ve ağırlık birimi olarak da Newton (Nivtın) kullanırız. Yer çekimi kuvveti cismin kütlesine bağlı olarak değişir.

Cismin kütlesi arttıkça ona etki eden yer çekimi kuvveti, yani ağırlığı da artar. Dünya’mız her 1 kg kütleye 9.81 N çekim kuvveti uygular. Yani Dünya’da 1 kg kütleli bir cismin ağırlığı yaklaşık 10 N’dır.

Günlük hayatta birbiriyle sürekli karıştırılan kütle ve ağırlık kavramları, aslında birbirinden farklı iki kavramdır. Kütle, bir cismin sahip olduğu madde miktarıdır ve eşit kollu terazi ile ölçülür. Kütle birimleri: Gram, kilogram ve tondur.
Bir maddenin kütlesi, bulunduğu yere göre değişmezken ağırlığı, Dünya’nın farklı yerlerinde farklı hissedilir. Yeryüzünden uzaklaşıldıkça yer çekimi kuvveti azaldığı için ağırlık azalır.

Deniz seviyesinden bir dağın zirvesine doğru çıkıldıkça ağırlık azalır.
Dünya, kutuplardan basık olduğu için bir cismin kutuplardaki ile ekvatordaki ağırlıkları farklı olur. Dünya kutuplar doğrultusunda 6356 km, ekvatorunda ise 6378 km yarıçapa sahip olduğundan bir cismin kutuplardaki ağırlığı, ekvatordaki ağırlığından daha fazladır.

Kütle ve ağırlık kavramları, birbirinden farklı kavramlar olmasına karşın çoğu zaman birbiriyle karıştırılır. Şimdi, kütle ve ağırlık kavramları arasındaki farkları beraber karşılaştıralım.

Dünya’nın dışında diğer gezegenlerde de ağırlık farklı ölçülür. Örneğin, kütlece daha büyük olan Jüpiter’de çekim kuvveti yaklaşık 2,5 kat daha fazla ölçülür. Bu sebeple burada cisimlerin ağırlıkları daha fazladır.
Dünya’nın merkezinden uzaya doğru çıkıldıkça, bir cisme etki eden ağırlık gitgide azalır. Hatta uzayda yer çekimi kuvveti olmadığından dolayı uzayın her noktasında ağırlık sıfır olur.
Dünya’nın uydusu olan Ay’da çekim kuvveti, Dünya’dakinin yaklaşık 1/6 ’sı kadardır. Bu sebeple ağır bir cismi kaldırmak Ay’da daha kolay olur.

İŞ

Günlük hayatta birçok işle karşılaşırız. Ancak bu işlerin bazıları fiziksel anlamda iş olarak kabul edilir. Fiziksel anlamda iş yapılabilmesi için bir cisme kuvvet uygulanmalı ve cisim bu kuvvet doğrultusunda bir yol almalıdır. Bu durumda, uygulanan kuvvetin fiziksel anlamda iş yaptığı ifade edilir.

Fiziksel anlamda yapılan işin değeri, uygulanan kuvvetin şiddetine ve cismin aldığı yolun büyüklüğüne bağlıdır. Uygulanan kuvvetin şiddeti ve cismin aldığı yol arttıkça, fiziksel anlamda yapılan işin değeri de artar. Yani işin değeri, uygulanan kuvvetin şiddeti ve cismin aldığı yol ile doğru orantılıdır. Uluslararası birim sistemine (SI) göre, işin birimi Joule’dir (J). Joule, J harfi ile gösterilir. İş biriminin J olabilmesi için uygulanan kuvvetin birimi N (Newton), alınan yolun birimi ise m (metre) olmalıdır.

Bir cismi yatay doğrultuda kuvvet uygulayarak hareket ettirdiğimizde, fiziksel anlamda iş yapmış oluruz. Örneğin, bir cismi kuvvet doğrultusunda 2 metre hareket ettirdiğimizde, 1 N’lik kuvvetin yaptığı iş 2 J’dir.

Ancak günlük hayatta yapılan birçok işte kuvvet, fiziksel anlamda iş yapmamış olabilir. Uygulanan kuvvetin doğrultusu, alınan yolun doğrultusuna dik olduğunda kuvvet, fiziksel anlamda iş yapmaz. Aşağıdaki örnekleri inceleyelim.

Enerji

Gördüğümüz gibi, iş yaparken enerji harcamamız gerekmektedir. Enerji, bir işi yapabilme yeteneğimizi ifade eder. Bir işi gerçekleştirebilmek için enerjiye ihtiyaç duyarız. İş yaparken enerji harcarız, ancak yaptığımız iş sonucunda cisimlere enerji kazandırırız. Şimdi, enerji türlerini inceleyelim.

Kinetik Enerji

Cisimlerin süratlerinden dolayı sahip olduğu enerjidir. Bu nedenle kinetik enerjiye hareket enerjisi de denir. Koştuğumuzda, yürüdüğümüzde veya hareket halinde olduğumuzda bir kinetik enerjiye sahibizdir. Yuvarlanan bir topun, hareket eden bir aracın veya uçan bir kuşun kinetik enerjisi bulunmaktadır. Cismin sahip olduğu kinetik enerji, cismin kütlesine ve süratine bağlıdır. Cismin kütlesi ve sürati arttıkça, kinetik enerjisi de artar.

Bir cismin sahip olduğu potansiyel enerji veya kinetik enerji birbirine dönüşebilir. Enerji, yok olmadan bir türden başka bir enerji türüne dönüşerek korunur. Cismin sahip olduğu enerji türünün değişmesine enerji dönüşümü denir. Enerji türünün adı değişse de cismin sahip olduğu toplam enerji korunur. Buna enerjinin korunumu denir.

Örneğin, bir topa vurduğumuzda, belirli bir süre sonra topun durma sebebinin sürtünme kuvveti olduğunu öğrenmiştik. Sürtünme kuvveti, hareketli cisimlerin süratini azaltarak cisimlerin yavaşlamasına ya da durmasına sebep olur. Topa vurduğumuzda top, süratle hareket eder ancak sürtünme kuvvetinin etkisiyle topun sürati azalır ve kinetik enerjisi azalmaya başlar.

Sürat teknelerinde hareketi sağlamak amacıyla güçlü motorlar kullanılır. Motor kapatıldığında tekne bir süre sonra durur. Bunun sebebi, suyun tekneye uyguladığı sürtünme kuvveti olan su direncidir. Su direncini azaltmak için teknelerin uç kısımları sivri yapılır. Aynı durum denizaltı, gemi ve kayıklarda da görülür.

Bir paraşüt, yere hızla çarpmamak için paraşüte çarpan havanın sürtünmesinden yararlanır. Hava sürtünmesi olan hava direnci, paraşütçünün süratinin artmasına engel olur. Böylece, paraşütçünün kinetik enerjisi artmaz ve paraşütçü sert bir iniş yapmamış olur.

Uçak ya da arabalar da hava direncine maruz kalır. Hava direnci etkisiyle bu taşıtların kinetik enerjileri azalır. Bu etkiyi azaltmak amacıyla araçlarda sivri yüzeyler kullanılmıştır.

Sürtünme kuvveti, hareketli cisimlerin kinetik enerjilerini azaltır. Örneğin, bir eğik düzlem arabasını, aynı yükseklikte ancak farklı yüzeylerin bulunduğu yokuşlardan serbest bıraktığımızı düşünelim. Sürtünmenin çok olduğu yüzeyde araba daha az hızlanır ve arabanın kinetik enerjisi daha az artar.

Sürtünme kuvveti ile hareketli cisimlerin kinetik enerjileri azalır ancak enerji yok olmaz. Sürtünme ile yüzeyler arasında genellikle ısı enerjisi açığa çıkar. Bu durumda, cismin kinetik enerjisi ısı enerjisine dönüşür. Otomobillerde uzun süre yolculuk yapıldığında tekerleklerin ısınmasının sebebi bundandır.