Kuvvet, İş ve Enerji İlişkisi

Fiziksel Anlamda İş

Bir cisim üzerine net bir kuvvet uygulandığında, cisim bu uygulanan net kuvvet doğrultusunda yer değiştiriyorsa fiziksel anlamda iş yapılmış olur. Günlük yaşamda kullanılan iş kavramı ile bilimsel anlamdaki iş kavramı birbirinden farklıdır. Masa başında bilgisayarda çalışmak veya çantamızı sallamadan düz yolda taşımak günlük hayatta iş sayılırken fiziksel anlamda iş sayılmaz.

Fiziksel anlamda iş yapılabilmesi için iki temel şart gereklidir. Cisme net bir kuvvet uygulanmalı ve cisim uygulanan kuvvet doğrultusunda hareket etmelidir. Uygulanan kuvvetin yönü ile cismin hareket doğrultusu birbirine dik ise ya da cisme kuvvet uygulandığı hâlde cisim hareket etmiyorsa fiziksel anlamda iş yapılmaz. Yerdeki koliyi yukarı kaldırmak, duvar örmek için tuğlaları yukarı taşımak veya masayı iterek sürüklemek fiziksel anlamda işe örnektir.

Fiziksel anlamda yapılan iş, cisme uygulanan net kuvvetin büyüklüğü ve cismin kuvvet doğrultusundaki yer değiştirmesi ile doğru orantılıdır. Kuvvet birimi newton (N), yer değiştirme birimi metre (m) alındığında, yapılan işin birimi joule (J) olarak tanımlanır. Cisme uygulanan kuvvet veya cismin katettiği yol arttıkça yapılan iş de artar.

Enerji ve Çeşitleri

İş yapabilme yeteneğine enerji denir. Enerji ve iş birbiriyle doğrudan bağlantılıdır; bu nedenle enerjinin birimi de iş birimi gibi joule olarak ifade edilir. Cisimler hareketlerinden veya bulundukları konumlardan dolayı farklı enerji türlerine sahip olabilir.

Cisimlerin hareketinden dolayı sahip olduğu enerjiye kinetik enerji adı verilir. Kinetik enerji cismin kütlesine ve hızına bağlıdır. Kütleleri aynı olan iki araçtan hızı fazla olanın kinetik enerjisi daha büyüktür. Aynı hızla ilerleyen basketbol topu ve plastik toptan kütlesi fazla olan basketbol topunun kinetik enerjisi daha yüksektir.

Cisimlerin durumlarından veya konumlarından dolayı depoladıkları kabul edilen enerjiye potansiyel enerji denir. Potansiyel enerji çekim potansiyel enerjisi ve esneklik potansiyel enerjisi olmak üzere iki grupta incelenir.

Yer çekimi kuvvetinin etkisiyle cisimlerin bulundukları yükseklikten dolayı sahip oldukları enerjiye çekim potansiyel enerjisi denir. Çekim potansiyel enerjisi cismin ağırlığına ve yüksekliğine bağlıdır. Çatıdaki kiremit, ağaç dalındaki elma veya barajda biriken su çekim potansiyel enerjisine sahiptir. Yükseklik veya ağırlık arttıkça çekim potansiyel enerjisi artar.

Kuvvet uygulandığında şekli değişen ve kuvvet kaldırıldığında eski hâline dönen maddelere esnek cisim denir. Sarmal yay, paket lastiği ve sünger esnek cisimlere örnektir. Esnek cisimlerin sıkıştırılması veya gerilmesi sonucu depolanan enerjiye esneklik potansiyel enerjisi adı verilir. Sıkışma veya gerilme miktarı arttıkça depolanan esneklik potansiyel enerjisi artar.

Enerjinin Korunumu ve Dönüşümü

Kinetik ve potansiyel enerji sistem içerisinde birbirine dönüşebilir. Bir sistemde var olan enerji yok olamaz, yoktan da var edilemez; ancak bir türden başka bir türe dönüşür. Bu ilkeye enerjinin korunumu kanunu denir.

Salıncakta sallanan bir çocuk en üst noktaya ulaştığında anlık olarak durakladığı için kinetik enerjisi sıfırlanır ve çekim potansiyel enerjisi maksimum seviyeye çıkar. Salıncak aşağı doğru inerken yüksekliği azaldığı için potansiyel enerjisi azalır, hızı arttığı için kinetik enerjisi artar. En alt noktada kinetik enerji en yüksek değerine ulaşır.

Sıkıştırılan bir sarmal yayda esneklik potansiyel enerjisi depolanır. Yay serbest bırakıldığında bu enerji önündeki maket arabaya aktarılarak kinetik enerjiye dönüşür. Eğik düzlemin tepesinden serbest bırakılan bir araba aşağı inerken potansiyel enerjisi kinetik enerjiye dönüşür.

Sürtünmeli ortamlarda hareket eden cisimlerin kinetik enerjisinin bir kısmı yüzeyle temas sonucunda ısı ve ses enerjisine dönüşür. Sürtünme kuvveti nedeniyle mekanik enerjinin bir kısmı ısıya dönüştüğü için hareketli cisimler bir süre sonra yavaşlayarak durur.