İş, Güç ve Enerji

Bu konuda ne öğreneceksin

Bir yükü yukarı taşıyan kişi iş yapar. Aynı yükü kısa sürede taşıyan daha güçlüdür. Yukarıdaki yük, düşebileceği için enerjiye sahiptir. İş, güç ve enerji, fiziğin her konusunda ortak olarak kullanılan üç kavramdır. Enerji, evrendeki her olayın temelidir ve hiç yok olmaz, yalnızca biçim değiştirir. Bu konuda işin tanımını, gücü, kinetik ve potansiyel enerjiyi, mekanik enerjinin korunumunu ve verimi öğreneceksin.

1. İş

Bir kuvvet cismi kendi yönünde yer değiştirtiyorsa kuvvet iş yapmıştır:

$W = F \cdot x$

Birimi joule (J) olup $1\ \text{J} = 1\ \text{N} \cdot 1\ \text{m}$’dir.

Kuvvet yer değiştirme ile $\alpha$ açısı yapıyorsa yalnızca yer değiştirme yönündeki bileşen iş yapar: $W = F \cdot x \cdot \cos\alpha$. $\alpha = 90°$ iken iş sıfırdır.

Örnek. 20 N’luk kuvvet bir cismi kendi yönünde 5 m götürürse iş $20 \cdot 5 = 100\ \text{J}$.

İşin sıfır olduğu durumlar:

• Kuvvet var ama yer değiştirme yoksa (duvarı itmek): $W = 0$.
• Kuvvet, yer değiştirmeye dik ise (düz yolda yük taşırken ağırlık kuvveti): $W = 0$.

İşin işareti: Kuvvet ve yer değiştirme aynı yönde ise iş pozitif, zıt yönde ise (sürtünme) iş negatiftir.

Kuvvet-yol grafiği: Grafiğin altında kalan alan işi verir.

2. Güç

Birim zamanda yapılan işe güç denir:

$P = \frac{W}{t}$

Birimi watt (W): $1\ \text{W} = 1\ \text{J/s}$. $1\ \text{kW} = 1000\ \text{W}$.

Örnek. 10 saniyede 600 J iş yapan makinenin gücü $\dfrac{600}{10} = 60\ \text{W}$’tır.

Aynı işi daha kısa sürede yapan cihazın gücü daha büyüktür. Güç, işin hızlı yapılmasıdır. Elektrik enerjisi kilowatt-saat (kWh) ile ölçülür: $1\ \text{kWh} = 1000\ \text{W} \cdot 3600\ \text{s} = 3{,}6 \cdot 10^6\ \text{J}$.

Hız ile ilişkisi: Sabit hızla giden bir cisim için $P = F \cdot v$.

3. Enerji

Enerji, iş yapabilme yeteneğidir. Birimi joule’dür. Enerji türleri:

Örnek (kinetik). Kütlesi 2 kg, hızı 10 m/s olan cismin kinetik enerjisi $\dfrac{1}{2} \cdot 2 \cdot 100 = 100\ \text{J}$.

Örnek (potansiyel). 5 kg’lık cisim 4 m yüksekte ise $E_p = 5 \cdot 10 \cdot 4 = 200\ \text{J}$ ($g = 10$).

Önemli: Kinetik enerji hızın karesi ile orantılıdır. Hız 2 katına çıkarsa kinetik enerji 4 katına çıkar.

4. İş-enerji teoremi

Cisme etki eden net kuvvetin yaptığı iş, cismin kinetik enerjisindeki değişime eşittir:

$W_{\text{net}} = \Delta E_k$

Sürtünmesiz yatay zeminde durgun cisme 10 J iş yapılırsa cismin kinetik enerjisi 10 J olur.

5. Mekanik enerjinin korunumu

Mekanik enerji = kinetik enerji + potansiyel enerji. Sürtünme ve hava direnci yoksa mekanik enerji korunur.

$E_{p1} + E_{k1} = E_{p2} + E_{k2}$

Örnek. 2 kg’lık cisim 20 m yükseklikten serbest bırakılıyor ($g = 10$).

• Başlangıçta $E_p = 2 \cdot 10 \cdot 20 = 400\ \text{J}$, $E_k = 0$.
• Yere çarparken $E_p = 0$, tüm enerji kinetik: $\dfrac{1}{2} \cdot 2 \cdot v^2 = 400$ ve $v = 20\ \text{m/s}$.

Sürtünme varsa mekanik enerjinin bir kısmı ısıya dönüşür. Toplam enerji (ısı dahil) yine korunur.

Enerjinin dönüşümünü gör

Cismin yüksekliğini değiştir. Sürtünme yokken potansiyel enerjideki azalma kadar kinetik enerji artar.

6. Verim

Bir makineye verilen enerjinin ne kadarının yararlı işe dönüştüğünü gösterir:

$\text{Verim} = \frac{\text{yararlı enerji}}{\text{harcanan enerji}} \cdot 100$

Örnek. Bir makine 400 J enerji alıp 300 J yararlı iş yapıyorsa verimi $\dfrac{300}{400} \cdot 100 = \%75$’tir. Kalan 100 J, ısı olarak kaybolur. Hiçbir makinenin verimi %100 olamaz.

• Kuvvet yönünde yer değiştirme varİş pozitif.
• Yer değiştirme yok ya da kuvvete dikİş sıfır.
• Sürtünme ve hava direnci yokMekanik enerji korunur.
• Cismin hızı 2 katına çıkıyorKinetik enerji 4 katına çıkar.

7. Enerji kaynakları

Enerji kaynakları yenilenemeyen ve yenilenebilen olarak ikiye ayrılır.

8. Konuyu toparla

Mini test

Kendini dene

Yanlış yaptığın soruları yanlış soru defterine ekleyebilirsin. Birkaç gün sonra tekrar karşına çıkar.