Kazanımlar

 F.7.3.2. Kuvvet, İş ve Enerji İlişkisi
Önerilen Süre: 6 ders saati
Konu / Kavramlar: Fiziksel iş, kinetik enerji, çekim potansiyel enerjisi, esneklik potansiyel enerjisi
F.7.3.2.1. Fiziksel anlamda yapılan işin, uygulanan kuvvet ve alınan yolla ilişkili olduğunu açıklar.
a. İşin birimi joule olarak verilir.
b. Matematiksel bağıntılara girilmez.
F.7.3.2.2. Enerjiyi iş kavramı ile ilişkilendirerek, kinetik ve potansiyel enerji olarak sınıflandırır.
a. Potansiyel enerji, çekim potansiyel enerjisi ve esneklik potansiyel enerjisi şeklinde sınıflandırılır.
b. Potansiyel enerjinin kütle ve yüksekliğe, kinetik enerjinin kütle ve sürate bağlı olduğu belirtilir.
c. Matematiksel bağıntılara girilmez.

A) İş Nedir?

Bir cisme kuvvet uygulandığında ve cisim kuvvet doğrultusunda hareket ettiğinde fiziksel iş yapılmış olur.

• Günlük hayatta “iş” kavramı ile Fen Bilimleri’ndeki fiziksel iş aynı değildir.
• Kitap okumak, çanta taşımak gibi durumlarda enerji harcasak bile fiziksel anlamda iş yapılmış sayılmaz.

İş Yapılabilmesi İçin Üç Şart:

1. Cisme kuvvet uygulanmalıdır.

• Bir cisme hiçbir kuvvet etki etmiyorsa iş yapılmaz.
• Dünya’nın Güneş etrafında dolanması sırasında Dünya’ya hareket doğrultusunda bir kuvvet uygulanmadığı için fiziksel iş yapılmış sayılmaz.

2. Cisim kuvvet doğrultusunda yer değiştirmelidir.

• Kuvvet uygulanmasına rağmen cisim hareket etmiyorsa iş yoktur.
• Duvarı iten kişi, kuvvet uygular fakat duvar hareket etmediği için fiziksel anlamda iş yapmış sayılmaz.

3. Cisme uygulanan kuvvet ile hareket aynı doğrultuda olmalıdır.

• Kuvvetin yönü ile hareket yönü birbirine dikse iş yapılmaz.

• Sırtımızdaki çantayı ileri doğru taşırken çantaya uyguladığımız kuvvet yukarı yönlü, hareketimiz ise ileri yönlüdür.
  • Yönler farklı olduğu için iş yapılmaz.

İş Yapılan Durumlar

• Doğrultu: Doğu–batı doğrultusu (yatay) veya kuzey–güney doğrultusu (düşey) gibi iki çeşit doğrultu vardır.
• Yön: Doğrultunun hangi ucuna gidildiğini gösterir. Örneğin doğu, batı, kuzey ve güney dört farklı yöndür.
• İş yapılması için kuvvet ile hareketin aynı doğrultuda olması şarttır. (Aynı yönlü olmak zorunda değildir; yönler zıt da olabilir ama doğrultu aynı olmalıdır.)

1. Sürtünme Kuvvetine Karşı İş Yapma

• Bir cismi yatay doğrultuda iterken, çekerken veya sürüklerken hareket de yatay doğrultudadır.
• Kuvvet ve hareket aynı doğrultuda olduğu için iş yapılır.

2. Yerçekimine Karşı İş Yapma

• Bir cismi yukarı kaldırırken, yukarı doğru çekerken veya merdiven çıkarken yerçekimine karşı iş yapılır.

3. Yerçekimi Kuvvetinin İş Yapması

Bir cisim aşağı doğru düşerken bu kez işi yapan yerçekimi kuvvetidir.

Aşağıdaki Durumlarda İş Yapılmamıştır

• Halteri başının üzerinde sabit tutan sporcu iş yapmış sayılmaz. Cisim hareket etmediği sürece fiziksel anlamda iş yapılmaz.
• Bir kişi ağır bir yükü yerden kaldıramadığında iş yapılmış olmaz. Çünkü uygulanan kuvvete rağmen yük hareket etmemiştir.
• Asansörle yukarı çıkan bir kişi iş yapmaz. İş yapan asansördür; kişinin kendisi kuvvet uygulayıp hareket ettirmemektedir.
• Elindeki çantayı sallamadan düz bir yolda yürüyen kişi iş yapmaz. Kuvvet yukarı yönlü, hareket ise yatay doğrultudadır. Doğrultular farklı olduğu için iş yapılmaz.
• Uzayda sabit hızla ilerleyen bir asteroit iş yapmaz. Üzerindeki net kuvvet sıfırdır; dengelenmiş kuvvetlerde iş yoktur.
• Sabit hızla düz yolda ilerleyen bir araç iş yapmaz. Net kuvvet sıfır olduğunda fiziksel iş gerçekleşmez.
• Sandalyede oturup kitap okuyan bir öğrenci iş yapmış sayılmaz. Çünkü kitap ve öğrenci arasında hareket yoktur.

Aşağıdaki Durumlarda İş Yapılmıştır

• Bir öğrencinin kitapları rafa yerleştirmesi sırasında iş yapılır. Cisim yukarı doğru hareket eder ve yerçekimine karşı iş yapılmış olur.
• Pazar arabasını çeken kişi iş yapar. Kuvvet uygulandığı yönde hareket gerçekleşir.
• Bir elma daldan kopup aşağı düşerken iş yapılır. Bu durumda işi yapan yerçekimi kuvvetidir.
• Kapıyı açan kişi iş yapar. Kapı kuvvet uygulanarak hareket eder.
• Bir kişinin çantasını yukarı kaldırması iş yapılmasına örnektir. Yerçekimine karşı yapılan bir iştir.
• Okulda bir üst kata çıkan bir öğrenci iş yapar. Hem kendi ağırlığına karşı hem de düşey doğrultuda hareket eder.
• Bir sporcunun halteri yukarı kaldırması iş yapılmasına örnektir.
• Bisikletle yokuş yukarı çıkarken iş yapılır. Yerçekimine karşı kuvvet uygulanır.
• Yağmur damlalarının yere düşmesi sırasında iş yapılır. Yine işi yapan yerçekimidir.
• Sıramızı iterek ya da sürükleyerek hareket ettirdiğimizde iş yapılır. Sürtünme kuvvetine karşı iş yapılmış olur.
• Havaya zıplayan bir kişi iş yapar. Vücudunu yerçekimine karşı yukarı hareket ettirir.
• Bir çocuğun topa vurması iş yapılmasına örnektir. Uygulanan kuvvet topa hareket kazandırır.
• El arabasıyla yük taşırken iş yapılır.
• Dağa tırmanan bir kişi iş yapar. Hem kendi ağırlığını taşır hem de düşey doğrultuda yol alır.
• Oku fırlatan bir kişi iş yapar. Ok, kuvvetle hızlandırılarak ileri hareket eder.
• Yazı yazarken iş yapılır. Parmaklarımız kalemi kuvvetle hareket ettirir.
• İnşaat malzemelerini yukarı taşıyan işçiler iş yapar.

İşin Formülü Nedir?

Fizikte iş, bir cisme kuvvet uygulandığında ve bu kuvvet etkisiyle cisim kuvvet doğrultusunda hareket ettiğinde yapılan büyüklüktür. Yani işin oluşması için iki şart vardır:

1. Kuvvet uygulanması
2. Cismin kuvvet doğrultusunda yer değiştirmesi

Bu nedenle iş, hem uygulanan kuvvete hem de cismin aldığı yola bağlıdır. İş, kuvvet ve alınan yol ile doğru orantılıdır.

• İşin Formülü -> İş = Kuvvet × Alınan Yol

• Sembolle İşin Formülü ->W = F × X
  • W: İş (Joule)
  • F: Kuvvet (Newton)
  • X: Alınan yol (metre)
• İşin Birim İlişkisi -> Joule (J) = Newton (N) × Metre (M)
  • Yani 1 Joule, 1 Newton’luk kuvvetin cismi 1 metre boyunca hareket ettirmesiyle yapılan iştir.

B) Enerji Nedir?

• Enerji: İş yapabilme yeteneğidir.
  • Bir cismin iş yapabilme özelliğine enerji denir.
  • Bir işin gerçekleşebilmesi için mutlaka enerji gerekir.
• Enerji ve İş Arasındaki İlişki: Ne kadar iş yaparsak, o kadar enerji harcarız. Ne kadar enerji harcarsak, o kadar iş yapmış oluruz.
• Enerjinin birimi Joule (J) dür. (İş ve enerji aynı birimle ölçülür.)
• Enerji Türlerine Örnekler: Enerji farklı şekillerde bulunabilir. Bazı enerji türleri şunlardır:
  • Kinetik Enerji
  • Potansiyel Enerji
  • Isı Enerjisi
  • Işık Enerjisi
  • Elektrik Enerjisi
  • Kimyasal Enerji
  • Nükleer Enerji
  • Rüzgâr Enerjisi
  • Jeotermal Enerji
  • Ses Enerjisi
  • Mekanik Enerji

Enerji Günlük Hayatımızda Nerelerde Karşımıza Çıkar?

Enerji, çevremizdeki pek çok olayın gerçekleşmesini sağlar.

Günlük yaşamda enerji kullanımına bazı örnekler:

1. Enerjinin Asıl Kaynağı: Güneş

• Dünya’daki enerjinin büyük kısmı Güneş’ten gelir.
• Güneş olmasa rüzgâr oluşmaz, bitkiler besin üretemez, Dünya’da yaşam devam edemez.

2. Bitkilerin Enerji Kullanımı

• Bitkiler, Güneş’ten gelen ışık enerjisini kullanarak besin üretir.
• Bu olaya fotosentez denir.

3. Besinlerden Aldığımız Enerji

• İnsanlar, ihtiyaç duyduğu enerjiyi besinlerdeki kimyasal enerjiden sağlar.
• Bu enerji sayesinde yürür, koşar, düşünür ve günlük işlerimizi yaparız.

4. Telefonların Çalışması

• Cep telefonlarının çalışması için gereken elektrik enerjisi, pillerde kimyasal enerji şeklinde depolanır.
• Pil bittiğinde telefonun çalışmamasının nedeni enerjinin tükenmiş olmasıdır.

5. Isınmak İçin Enerji

• Evimizi sıcak tutmak için ısı enerjisine ihtiyaç duyarız.
• Soba, kalorifer ve klima gibi araçlar ısı enerjisi sağlar.

Kinetik (Hareket) Enerjisi

• Cisimlerin hareketinden dolayı sahip oldukları (kazandıkları) enerjiye kinetik enerji denir.
• Bir cisim ne kadar hızlı hareket ediyorsa veya kütlesi ne kadar büyükse kinetik enerjisi o kadar fazladır.
• Kinetik enerji cismin süratine ve kütlesine bağlıdır.

1. Sürat Artarsa Kinetik Enerji Artar.
   • Kütleleri aynı iki araçtan daha süratli giden aracın kinetik enerjisi daha fazladır.

• Kütleleri aynı otomobillerden sürati fazla olan 2. araçın kinetik enerjisi fazladır.

2. Kütle Artarsa Kinetik Enerji Artar.

• Süratleri eşit olan iki araçtan kütlesi büyük olanın kinetik enerjisi daha yüksektir.

• Süratları aynı olan araçlardan kütlesi daha fazla olan uçağın kinetik enerjisi daha fazladır.

Potansiyel Enerji

• Cisimlerin içlerinde saklı olan enerji çeşididir. Potansiyel enerji iki gruba ayrılır. Bunlar ‘çekim potansiyel enerjisi’ ve ‘esneklik potansiyel enerjisi’ dir.

1. Çekim Potansiyel Enerjisi

• Bir cismin bulunduğu konumdan dolayı sahip olduğu enerjiye çekim potansiyel enerjisi denir.
• Cisim yerden ne kadar yüksekteyse ve kütlesi ne kadar büyükse potansiyel enerjisi o kadar fazladır.
• Barajdaki su, daldaki elma, masanın üzerindeki kitap ve elektrik tellerindeki kuş yüksekte bulundukları için çekim potansiyel enerjisine sahiptir.
• Çekim potansiyel enerji cismin kütlesine (ağırlığı) ve yerden yüksekliğine bağlıdır.

• Yükseklikleri eşit olan toplardan kütlesi 620 gram fazla olan basketbol topunun çekim potansiyel enerjisi daha fazladır.
• Basketbol topu kum havuzunda daha derin çukur oluşturur.

• Kütlesi eşit olan tenis toplarından 3m yüksekte olanın çekim potansiyel enerjisi daha fazladır.
• Kum havuzunda potansiyel enerjisi fazla olan daha derin çukur oluşturur.
• Yerden yüksekliği ve ağırlığı arttıkça çekim potansiyel enerjileri de artar.

2. Esneklik Potansiyel Enerjisi

• Kuvvet uygulandığında şekli değişen kuvvetin etkisi ortadan kalkınca tekrar eski haline dönen cisimlere esnek cisim denir.
• Esnek cisimlerin sıkıştırılması veya gerilmesiyle içlerinde depoladığı enerjiye esneklik potansiyel enerji denir.
• Esneklik potansiyel enerjisi, esnek maddenin gerilme veya sıkıştırılmasıyla depo edilir.
• Esneklik potansiyel enerjisi, esnek maddenin kalınlığına ve gerilme miktarına bağlıdır.
• Sıkışmış yay, gerilmiş ok, paket lastiği, sapan lastiği, trambolinin gergin yüzeyi, yere çarpınca sıkışan top, sıkıştırılmış sünger, bükülmüş cetvel, araba amortisörlerindeki yay ve yaylı oyuncakların sıkışmış yayları esneklik potansiyel enerjisine sahiptir.