Baraj gölünde duran su hareketsizdir ama şehri aydınlatacak enerjiyi içinde taşır. Lunapark treni tepeye çıkarken yavaşlar, inerken hızlanır — sanki bir hesap sürekli denkleşiyor. Bu ünitede o hesabı öğreneceksin: kinetik + potansiyel = sabit.
Bir cismin hareketinden dolayı sahip olduğu enerjiye kinetik enerji denir. Bir cismin hızı varsa öteleme kinetik enerjisi de vardır. Cisim dönmeden sadece öteleme hareketi yapıyorsa cismin sahip olduğu enerjiye öteleme kinetik enerjisi adı verilir.
Kütle birimi kg, hız birimi m/s olarak alındığında SI'da enerji birimi Joule (J) olur.
Koşan atın, havada uçan kuşun, şelaleden dökülen suyun ve snowboard yapan sporcunun bir kinetik enerjisi vardır. Hepsinin ortak yanı: hareket hâlinde olmaları.
Fizik biliminde potansiyel enerji; maddelerin durumlarından kaynaklı sahip oldukları, kullanıma hazır ve henüz açığa çıkmamış enerji anlamına gelir. Potansiyel enerjinin yer çekimi potansiyel enerjisi ve esneklik potansiyel enerjisi gibi çeşitleri vardır. Cisimlerin belirli bir referans noktasına göre bulundukları konumlarından dolayı sahip oldukları enerjiye yer çekimi potansiyel enerjisi denir.
Yerde A noktasında duran bir cisim yukarı doğru h yüksekliğindeki B noktasına kaldırıldığında yer çekimi kuvvetine karşı bir iş yapılır. Cisim tutulduğu h yüksekliğinde kütle çekimi etkisiyle yere doğru düşme eğilimine sahip olur, yani cismin bir enerjisi olur.
Yapılan iş, h yüksekliğindeki cisimde potansiyel enerji olarak depolanır.
Yer seviyesinden belli bir yükseklikten bırakılan cismin yere düşmesini sağlayan kuvvet yer çekimi kuvveti olduğundan, bu durumda yer çekimi kuvveti iş yapmış olur.
Yani depolanan potansiyel enerji, düşerken geri alınır ve kinetik enerjiye dönüşür.
Bir cismin çekim potansiyel enerjisi; kütle, yükseklik ve bulunulan yerin yer çekimi ivmesiyle doğru orantılıdır.
Belirli bir hacmi olan cisimlerin potansiyel enerjileri bulunurken, cismin ağırlık merkezinin yer seviyesine olan uzaklığı dikkate alınır.
h yüksekliğindeki homojen bir silindir cismin O ağırlık merkezinin yer seviyesine olan uzaklığı h/2 olduğundan, cismin sahip olduğu yer çekimi potansiyel enerjisi:
Salıncakta sallanan çocuk, barajlarda biriken su ve uçan bir uçak yere göre yer çekimi potansiyel enerjisine sahiptir.
Bir kuvvet uygulandığında şekli değişebilen ve uygulanan kuvvet ortadan kalktığında tekrar eski hâline dönebilen maddelere esnek maddeler denir. Plaj topu, yay ve sünger esnek maddelerdir. Esnek sistemler gerildiğinde ya da sıkıştırıldığında potansiyel enerji kazanır; cisimlerin bulundukları durumdan dolayı sahip oldukları bu enerjiye esneklik potansiyel enerjisi denir.
Yay bir kuvvetin etkisi ile denge noktasından uzaklaştırıldığında, tekrar eski konumuna dönme eğilimi gösterir.
Esnek cisimlerin eski durum ya da konumlarına geri dönmesini sağlayan kuvvet, geri çağırıcı kuvvet (F⃗yay) olarak tanımlanır.
Bu kuvvetin yönü daima denge noktasına doğrudur. Büyüklüğü, esnek cisimdeki gerilme ya da sıkışma miktarı ve esneklik katsayısı k ile doğru orantılıdır.
Bir kuvvet etkisiyle sıkıştırılmış veya uzatılmış bir yayın depoladığı enerjiye yayın esneklik potansiyel enerjisi denir. Yaylarda esneklik sınırı yayın esneklik katsayısı (k) ile belirlenir. k yay sabitinin birimi SI'da N/m'dir.
k: yayın esneklik katsayısı · x: yayın denge noktasına olan uzaklığı
Bir cismin sahip olduğu kinetik enerji ile potansiyel enerjinin toplamına mekanik enerji denir. Fizikte mekanik enerji, bir cismin hareketi ve konumu ile ilişkili iş anlamına gelir.
Bir cismin sahip olduğu mekanik enerji yalnızca kinetik enerji ya da yalnızca potansiyel enerji olabileceği gibi cisim bu iki enerjiye birlikte de sahip olabilir.
Sürtünmelerin ihmal edildiği ortamlarda bir cismin veya sistemin mekanik enerjisi her zaman sabittir ve korunur.
Sürtünmeli bir ortamda cisimlerin sahip olduğu mekanik enerjinin bir kısmı sürtünmeden kaynaklı olarak ısı enerjisine dönüşür. Bu durumda cisimlerin mekanik enerjisi korunmaz fakat toplam enerji korunur.
Sürtünmelerin ihmal edildiği bir ortamda A noktasından serbest bırakılan m kütleli cisim, B noktasından v₁ hızıyla geçip C noktasında v hızıyla yere çarpıyor. Buna göre A, B ve C noktalarındaki mekanik enerjileri eşittir.
| Nokta | Potansiyel | Kinetik | Mekanik Enerji |
|---|---|---|---|
| A (en üst, v₀ = 0) | m·g·h | 0 | E = m·g·h |
| B (ara nokta) | m·g·h₁ | ½·m·v₁² | E = m·g·h₁ + ½·m·v₁² |
| C (yerde, h = 0) | 0 | ½·m·v² | E = ½·m·v² |
Yüksek atlama yapan sporcunun, baraj gölünden akan suyun ve yerden yüksekte uçan uçağın hem potansiyel hem de kinetik enerjisi vardır. Hem yüksektedirler hem de hareket hâlindeler.
Bir ağacın dalında hareketsiz duran yaprakların yalnızca yer çekimi potansiyel enerjisi vardır. Yaprakların mekanik enerjisi, yer çekimi potansiyel enerjisine eşittir.
Bazen mekanik enerji farklı enerji çeşitlerine dönüştürülerek kullanılır. Örneğin jeneratörler mekanik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürür.
Bu ünitenin tek cümlelik özeti: enerji yoktan var olmaz, yok da olmaz — sadece biçim değiştirir.
Barajlarda biriken suyun potansiyel enerjisi vardır. Su borulardan aşağı inerken bu enerji kinetik enerjiye, türbini döndürünce de jeneratör aracılığıyla elektrik enerjisine dönüşür. Barajın yüksek yapılmasının sebebi EP = m·g·h'deki h'dir.
Tren en tepede en yavaş ama en yüksek potansiyel enerjiye sahiptir. Aşağı inerken potansiyel enerji kinetiğe dönüşür ve en dipte en hızlı olur. İlk tepeden sonraki tepeler hep daha alçaktır — çünkü sürtünme yüzünden mekanik enerji korunmaz, bir kısmı ısıya gider.
Kinetik enerji hızın karesiyle orantılıdır. Hızı iki katına çıkarmak enerjiyi dört katına çıkarır; bu yüzden fren mesafesi ve çarpışmanın şiddeti de dört katına çıkar. "Biraz hızlı gitmek" biraz değil, katlanarak risklidir.
Sporcu önce koşarak kinetik enerji kazanır, sırığı bükünce bu enerji sırıkta esneklik potansiyel enerjisi olarak depolanır, sırık düzelirken sporcuyu yukarı fırlatır ve enerji yer çekimi potansiyel enerjisine dönüşür. Üç enerji türü tek atlayışta.
Kurarken yaya iş yaparsın, yay Eyay = ½kx² kadar enerji depolar. Bıraktığında geri çağırıcı kuvvet bu enerjiyi harekete çevirir. Tükenmez kalemin "tık" sesi de aynı yayın enerji alıp vermesidir.
Çukura girince yaylar sıkışıp darbenin enerjisini esneklik potansiyel enerjisi olarak emer, sonra yavaşça geri verir. Amortisör bu enerjinin bir kısmını bilerek ısıya çevirir; yoksa araba zıplamaya devam ederdi.
Sarkaç en uçtayken hızı sıfır, potansiyel enerjisi maksimumdur; tam ortadayken tersi olur. İkisinin toplamı sabit kalır. Sürtünme olmasaydı saat hiç durmazdı — kurgu tam da bu kaybı telafi eder.
Düşen kişinin kinetik enerjisi file gerildikçe esneklik potansiyel enerjisine dönüşür. Enerji uzun bir sürede emildiği için kişiye etki eden kuvvet küçük kalır. Betona düşmekle fileye düşmek arasındaki fark budur.
Uzun bir direği dikerken potansiyel enerjisi tepesine göre değil, ağırlık merkezine göre hesaplanır: h yüksekliğindeki homojen bir cisimde EP = m·g·(h/2)'dir. Bu yüzden direği devirmek, dikmekten daha az enerji ister.
18 sorudan oluşan bu test ile "Enerji Çeşitleri ve Mekanik Enerji" ünitesini ne kadar kavradığını gör. Her sorudan sonra anında geri bildirim alacaksın.
Cismin hareketinden dolayı sahip olduğu enerji. Birimi Joule'dür.
Kinetik enerji hız büyüklüğünün karesiyle doğru orantılıdır. Kütleler eşitse hızlı olanın, hızlar eşitse ağır olanın kinetik enerjisi büyüktür.
Cisimlerin bir referans noktasına göre konumlarından dolayı sahip oldukları enerji. Kütle, yükseklik ve g ile doğru orantılıdır.
Hacimli cisimlerde ağırlık merkezinin yere uzaklığı kullanılır. Homojen silindirde bu h/2'dir.
Sıkıştırılmış veya uzatılmış yayın depoladığı enerji. k yay sabitidir, birimi N/m'dir.
Esnek cismin eski konumuna dönmesini sağlar. Büyüklüğü, gerilme/sıkışma miktarı ve k ile doğru orantılıdır.
Kinetik ve potansiyel enerjinin toplamı. Cisim yalnız birine ya da ikisine birden sahip olabilir.
Sürtünmelerin ihmal edildiği ortamlarda mekanik enerji her zaman sabittir ve korunur.
Mekanik enerjinin bir kısmı ısı enerjisine dönüşür. Mekanik enerji korunmaz ama toplam enerji korunur.