Yüz kiloluk çuvalı sırtında kilometrelerce taşısan bile fizikçiye göre sıfır iş yapmış olursun. Ama onu yerden bir metre kaldırırsan iş yapmış olursun. Kulağa haksızlık gibi geliyor — çünkü fizikteki "iş" günlük hayattakinden farklı bir şey. Bu ünitede o farkı ve ondan doğan güç kavramını öğreneceksin.
Fiziksel olarak iş kavramı ve günlük yaşamda kullanılan iş kavramının anlamları farklıdır. İş; sistemlerde enerji değişimine sebep olan faaliyetlerin tamamı olarak tanımlanır. İş W sembolüyle gösterilir. Türetilmiş ve skaler bir büyüklük olup SI'da birimi Newton · metre = Joule (J)'dür.
Fiziksel anlamda iş yapılabilmesi için cisme uygulanan kuvvetin yola paralel bir bileşeni olmalıdır. Hareket doğrultusuna dik olan kuvvet fiziksel anlamda iş yapmaz.
Fiziksel anlamda iş, kuvvet ile kuvvet doğrultusunda yapılan yer değiştirmenin çarpımı ile hesaplanır.
İş = (Kuvvet) · (Kuvvet doğrultusundaki yer değiştirme)
İş skaler bir büyüklüktür ama işareti olabilir. İşaret, kuvvetin hareketle olan ilişkisini anlatır.
Cisme hareket yönünde uygulanan F⃗₁ kuvvetinin yaptığı iş pozitif (+) olur.
Cisme hareket yönüne zıt yönde uygulanan F⃗₂ kuvvetinin yaptığı iş negatif (−) olur.
Cismin hareket doğrultusuna dik olarak uygulanan kuvvetler iş yapmaz. Bu nedenle F⃗₃ kuvvetinin yaptığı iş sıfırdır.
Yani net işi iki yoldan bulabilirsin: önce net kuvveti bulup yolla çarparsın, ya da her kuvvetin işini ayrı ayrı hesaplayıp işaretleriyle toplarsın. İkisi de aynı sonucu verir; soruda hangisi kolaysa onu seç.
Günlük hayatta bir işin yapılabilmesi için enerjiye ihtiyaç vardır. Bu nedenle en genel tanımı ile enerji, iş yapabilme yeteneği olarak tanımlanmaktadır. Bir cisim üzerinde iş yapıldığında, cisme enerji aktarılır.
Bir cisim sürtünmeli yüzeyde hareket ettiğinde cisme etki eden sürtünme kuvveti (F⃗s) bir iş yapar. Hareket esnasında sürtünme kuvveti yer değiştirmeye zıt yönde olduğundan, sürtünme kuvvetinin yaptığı iş negatif olup sürtünmeden kaynaklı ısıya dönüşen enerjiye eşittir.
Sürtünme kuvveti yer değiştirmeye zıt yönlü olduğu için bu iş negatif çıkar — yani sistemden enerji çeker, ısı olarak dışarı verir.
Fizik biliminde güçlü olmak, aynı işi en kısa zamanda yapabilmektir. Güç, bir işin birim zamanda yapılma hızına denir. Başka bir deyişle güç; birim zamanda yapılan işe veya aktarılan enerjiye denir. Güç P sembolü ile gösterilir. Skaler bir büyüklük olup SI'da birimi watt'tır.
Bir cisme hareket yönünde sabit bir kuvvet uygulandığında cisim hızlanan hareket, hareket yönüne zıt yönde sabit bir kuvvet uygulandığında cisim yavaşlayan hareket yapar. Bu durumda ortalama hız kavramı dikkate alınabilir:
Bu ünitenin kavramları en somut karşılığını elektrik faturasında, ampul kutusunda ve araba ilanlarında buluyor.
Ampulün üstündeki 9 W, saniyede 9 joule enerji harcadığı anlamına gelir. LED ampul aynı ışığı daha az watt ile verir; yani aynı işi daha az enerjiyle yapar. Faturanı belirleyen watt değil, watt × süre'dir.
2000 W'lık saç kurutma makinesi, 10 W'lık modeme göre saniyede 200 kat enerji çeker. Ama modem gün boyu açık kaldığı için toplam enerjisi hiç de küçük değildir. Güç anlık, enerji birikimlidir.
Araba ilanındaki 150 beygir, motorun birim zamanda ne kadar iş yapabildiğini söyler. Güçlü motor aynı tepeyi daha kısa sürede çıkar — yaptığı iş aynıdır, farkı süre yaratır. P = F · vort bağıntısı yüzünden yüksek hızda daha çok güç gerekir.
Merdiveni yürüyerek de koşarak da çıksan yapılan iş aynıdır (m·g·h). Ama koşarken süre kısaldığı için gücün artar — bu yüzden nefes nefese kalırsın. Yorulmanın ölçüsü iş değil, güçtür.
Ağır çantayı düz yolda taşırken kuvvet yukarı, hareket ileri yönlüdür; ikisi dik olduğu için fiziksel anlamda iş yapmazsın. Kolun ağrısa da fizik "sıfır iş" der. Çantayı kaldırdığında ise iş yapmış olursun.
Duvarı ne kadar itersen it, duvar yer değiştirmediği için W = F · 0 = 0. Fiziksel iş sıfırdır. Terlemenin sebebi kaslarının içindeki kimyasal enerjiyi harcamandır — o ayrı bir hesap.
Sürtünme kuvvetinin yaptığı iş negatiftir ve ısıya dönüşen enerjiye eşittir. Uzun bir inişte frene basılı tutarsan bu enerji diski kızdırır, fren kokar ve verimi düşer. Kamyonlar bu yüzden motor freni kullanır.
Üşüyünce elleri ovuşturursun: sürtünme kuvvetinin yaptığı negatif iş, mekanik enerjiyi ısıya çevirir. İlkel insanın çubuk sürterek ateş yakması da aynı fiziktir.
Gökdelen asansörü aynı katı çok daha hızlı çıkar. Yaptığı iş (m·g·h) aynı olsa da süre kısaldığı için motorunun gücü çok daha büyük olmalıdır: P = W/Δt. Bu yüzden yüksek binaların asansör motorları devasadır.
18 sorudan oluşan bu test ile "İş, Enerji ve Güç Kavramları" ünitesini ne kadar kavradığını gör. Her sorudan sonra anında geri bildirim alacaksın.
Sistemlerde enerji değişimine sebep olan faaliyetlerin tamamı. Türetilmiş ve skaler büyüklüktür, birimi Joule (N·m).
İş yapılabilmesi için kuvvetin yola paralel bir bileşeni olmalıdır. Hareket doğrultusuna dik kuvvet iş yapmaz.
Hareket yönündeki kuvvet pozitif, zıt yöndeki negatif iş yapar; dik olan hiç iş yapmaz.
Net kuvvetin yaptığı iş; ya net kuvvet × yol ile ya da tek tek işlerin işaretli toplamıyla bulunur.
Bir cisim üzerine yapılan iş, cismin enerjisindeki değişime eşittir. Enerji, iş yapabilme yeteneğidir.
Sürtünme yer değiştirmeye zıt yönlü olduğundan işi negatiftir ve ısıya dönüşen enerjiye eşittir.
Bir işin birim zamanda yapılma hızı. Skaler büyüklüktür, SI birimi watt'tır.
P = W/Δt = (F·Δx)/Δt = F·(Δx/Δt) sadeleşmesinden elde edilir.
Fizikte güçlü olmak, aynı işi en kısa zamanda yapabilmektir. İş aynı olsa da süre kısaldıkça güç artar.