7. Sınıf Kuvvet ve Enerji — Konu Anlatımı

Kim İş Yaptı?

Efe beş dakika boyunca okul bahçesindeki duvarı bütün gücüyle itti; ter içinde kaldı ama duvar kıpırdamadı. Elif ise 20 N'luk kuvvetle bir kutuyu itip 2 metre ilerletti. Fen bilimlerine göre hangisi iş yaptı?

Yalnızca Elif. Fizikte iş yapılmış sayılması için iki şart birlikte gerekir: cisme kuvvet uygulanmalı ve cisim kuvvet doğrultusunda yol almalı. Efe yoruldu, vücudunda enerji harcandı, ama duvar yer değiştirmediği için fizik anlamında yaptığı iş sıfırdır.

İşi Hesaplamak

Yapılan iş, kuvvet ile kuvvet doğrultusunda alınan yolun çarpımıdır: $W = F \cdot x$. Birimlere bakalım: kuvvet newton (N), yol metre (m) ise iş joule (J) çıkar. Elif'in yaptığı iş: $20 \cdot 2 = 40$ J.

Birinci örnek: Mert kutuyu 15 N'luk kuvvetle 4 metre çekiyor. İş $15 \cdot 4 = 60$ J.

İkinci örnek (ters soru): Bir kutu kuvvet yönünde 6 metre ilerlemiş, 300 J iş yapılmış. Kuvvet kaç N? $F = 300 : 6 = 50$ N.

Üçüncü örnek (karşılaştırma): Birinci kutu 10 N ile 5 m, ikinci kutu 25 N ile 2 m çekiliyor. İşler $10 \cdot 5 = 50$ J ve $25 \cdot 2 = 50$ J. Kuvvetler de yollar da farklı, iş aynı. Soru "hangisinde daha çok iş yapıldı?" diye gelirse yalnız kuvvete bakıp ikinci kutu demek tuzaktır.

Yorulmak Neden İş Sayılmaz?

Çantasıyla koridorda 12 metre yürüyen öğrenciyi düşünün. Çantayı düşmesin diye yukarı doğru tutuyor, hareket ise yatay. Kuvvet ile hareket birbirine dik olduğunda o kuvvet iş yapmaz. Öğrenci çantayı yerden alıp 1 metre kaldırsaydı kuvvet de yol da yukarı olduğundan iş yapılmış olurdu.

Sık yapılan hata: bir öğrencinin kâğıdında "İş = kuvvet + yol; 20 N ve 3 m için 23 J" yazıyor. Toplama değil çarpma gerekir: doğru cevap 60 J.

Enerji: İş Yapabilme Yeteneği

İş yapan cisim enerji harcar, üzerinde iş yapılan cisim enerji kazanır. Enerjinin birimi de joule'dür.

• Kinetik enerji: Hareket eden her cisimde vardır; kütle ve sürat arttıkça artar. Duran bisikletin kinetik enerjisi sıfırdır. Dikkat: sürat 2 katına çıkınca kinetik enerji 4 katına, 3 katına çıkınca 9 katına çıkar. 2 kg'lık oyuncak araba 1 m/s ile giderken 1 J, 2 m/s'de 4 J, 3 m/s'de 9 J kinetik enerjiye sahiptir.
• Potansiyel enerji: Depolanmış enerjidir. Yüksekteki cisimde çekim, sıkıştırılmış yayda ya da gerilmiş lastikte esneklik potansiyel enerjisi vardır. Çekim potansiyel enerjisi ağırlık × yüksekliktir: 4 kg'lık kutunun ağırlığı yaklaşık 40 N'dur; 5 m yükseklikteki rafa konunca $40 \cdot 5 = 200$ J enerji kazanır. Bu, kutuyu oraya kaldırırken yapılan işe eşittir.

Enerji Kaybolmaz, Biçim Değiştirir

Sürtünmesiz bir yolda K tepesinden bırakılan top inerken potansiyel enerjisi azalır, kinetik enerjisi artar; en alçak noktada en hızlıdır. Karşı yokuşu tırmanırken kinetik enerji yeniden potansiyele döner. Sürtünme olmasaydı top başladığı yüksekliğe kadar çıkabilirdi.

Gerçekte sürtünme vardır ve enerjinin bir kısmı ısıya dönüşür. Enerji yine yok olmaz, yalnızca işe yaramayan bir biçime geçer.

Çözümlü örnek: Bir kızak tepede 500 J potansiyel enerjiye sahip. İniş boyunca 120 J sürtünmeyle ısıya dönüşüyor. Kızak yere vardığında kinetik enerjisi kaç joule? $500 - 120 = 380$ J. Kontrol: $380 + 120 = 500$; toplam korunur.

Salınan sarkacın genliğinin her salınımda biraz azalması, fren yapan bisikletin balatalarının ısınması, avuçlarınızı sürtünce ısınması hep bu dönüşümün izidir.

Eğik düzlem deneyi aynı fikri sayıya döker: aynı araba 10 cm, 20 cm ve 30 cm yükseklikten itilmeden bırakılıyor. Yükseklik arttıkça başlangıçtaki potansiyel enerji artar, aşağıda kinetik enerjiye dönüşen pay da büyür; araba düz zeminde her seferinde daha uzağa gider. Deneyde değiştirilen tek şey yüksekliktir, araba ve zemin aynı kalır.

Sürtünme: Düşman mı, Dost mu?

Aynı oyuncak araba aynı yaydan fırlatılınca buzda 312 cm, parkede 138 cm, halıda 46 cm gidip durmuş. Yüzey pürüzlendikçe sürtünme kuvveti artar, araba daha çabuk durur. Sürtünme hareketi zorlaştıran yönde etki eder.

Bazen sürtünmeyi artırmak isteriz (kar lastiği, ayakkabının tırtıklı tabanı, buzlu yola kum), bazen azaltmak (menteşeyi yağlamak, kayak tabanını cilalamak). Sınavda bu örnekleri iki gruba ayırmanız istenir.

Kütle ile Ağırlık Aynı Şey Değil

Kuvveti dinamometreyle ölçer, sonucu newtonla okuruz. Kütle (kg) madde miktarıdır ve her yerde aynıdır; ağırlık (N) cisme etki eden çekim kuvvetidir ve gök cismine göre değişir. 60 kg'lık bir astronotun ağırlığı Dünya'da yaklaşık 600 N, Ay'da yaklaşık 100 N'dur; kütlesi iki yerde de 60 kg. Dünya'da 1 kg'lık cisme yaklaşık 10 N çekim kuvveti etki eder.

Sınav ipucu: "Net kuvvet" geçiyorsa aynı doğrultudaki kuvvetleri yönlerine göre birleştirin: zıt yönlü 30 N ve 12 N'un bileşkesi 18 N'dur, büyük kuvvetin yönündedir. Cisim dengedeyse net kuvvet sıfırdır.

Sık sorulanlar