TEMEL FİZİK T.C. ANADOLU ÜNİVERSİTESİ YAYINLARI NO: 674. Açıköğretim Fakültesi Yayınları No: 331. Yazarlar. Prof. M. Selami KILIÇKAYA.

Transkript

1 T.C. ANADOLU ÜNİVERSİTESİ YAYINLARI NO: 674 Açıköğretim Fakültesi Yayınları No: 331 TEMEL FİZİK Yazarlar Prof. M. Selami KILIÇKAYA Editör Yrd. Doç. Dr. Ali CEMALCILAR

2 ANADOLU ÜNİVERSİTESİ Açıköğretim Fakültesi Bu kitabın basım, yayım ve satış hakları Anadolu Üniversitesi'ne aittir. "Uzaktan Öğretim" tekniğine uygun olarak hazırlanan bu kitabın bütün hakları saklıdır. İlgili kuruluştan izin almadan kitabın tümü ya da bölümleri mekanik, elektronik, fotokopi, manyetik kayıt veya başka şekillerde çoğaltılamaz, basılamaz ve dağıtılamaz. Copyright 1996 by Anadolu University All rights reserved No part of this book may be reproduced or stored in a retrieval system, or transmitted in any form or by any means mechanical, electronic, photocopy, magnetic, tape or otherwise, without permission in writing from the University. Kapak Düzeni:Y..Doç. Atilla ÖZER ISBN

3 İÇİNDEKİLER BAŞLARKEN...VI ÜNİTE 1 : FİZİĞE GİRİŞ 1. GİRİŞ FİZİĞİN YÖNTEMLERİ DENEYSEL FİZİK TEORİ VE KANUNLAR ÖLÇÜM UZUNLUK ÖLÇÜMÜ HACİM ÖLÇÜMÜ AĞIRLIK VE KÜTLE ÖLÇÜMÜ SICAKLIK ÖLÇÜMÜ... 6 ÖZET... 6 DEĞERLENDİRME SORULARI... 7 ÜNİTE 2 : KUVVET VE İŞ 1. GİRİŞ KUVVET İŞ BASİT MAKİNALAR KALDIRAÇLAR MEKANİK FAYDA MAKARALAR EĞİK DÜZLEM VERİM GÜÇ ÖZET DEĞERLENDİRME SORULARI...16 ÜNİTE 3 : HAREKET 1. GİRİŞ AĞIRLIK VE KÜTLE I -

4 3. ÇEKİM KUVVETİ HIZ VE SÜRAT ORTALAMA HIZ İVME ENERJİ ÖZET DEĞERLENDİRME SORULARI ÜNİTE 4 : DİNAMİK 1. GİRİŞ BİRİNCİ HAREKET KANUNU İKİNCİ HAREKET KANUNU ÜÇÜNCÜ HAREKET KANUNU SERBEST DÜŞME EĞİK ATIŞ EĞRİSEL HAREKET MOMENTUM ÖZET DEĞERLENDİRME SORULARI ÜNİTE 5 : MADDENİN FİZİKSEL ÖZELLİKLERİ 1. GİRİŞ MADDE MADDENİN HALLERİ FİZİKSEL ÖZELLİKLER YOĞUNLUK FİZİKSEL DEĞİŞİMLER ÖZET DEĞERLENDİRME SORULARI ÜNİTE 6: ISI 1. GİRİŞ ENERJİ SICAKLIK VE ISI II-

5 4. ÖZGÜL ISI ISI ÖLÇÜMÜ ERİME VE BUHARLAŞMA GENLEŞME GAZLAR ÖZET DEĞERLENDİRME SORULARI ÜNİTE 7: ISI VE KULLANIMI 1. GİRİŞ ISININ HAREKETİ YALITIM SOĞUTMA SİSTEMLERİ ISITMA SİSTEMLERİ ATIK ISI ÖZET DEĞERLENDİRME SORULARI ÜNİTE 8: ELEKTRİK 1. GİRİŞ ELEKTRİK YÜKÜ İLETİM AKIM POTANSİYEL FARKI DİRENÇ VE OHM KANUNU DEVRELER GÜÇ ÖZET DEĞERLENDİRME SORULARI ÜNÜTE 9 : ELEKTRİK VE KULLANIMI 1. GİRİŞ MIKNATISLAR III -

6 3. AKIM VE MANYETİK ALANLAR AMPERMETRE VE VOLTMETRE JENERATÖR VE ALTERNATİF AKIM DOĞRULTUCULAR YÜKSELTİCİLER KATOD-IŞINI TÜPÜ TELEVİZYON ÖZET DEĞERLENDİRME SORULARI ÜNİTE 10: DALGALAR 1. GİRİŞ DALGALARIN ÖZELLİKLERİ BİR DALGANIN FREKANSI VE HIZI SU DALGASI MODELİ ELEKTROMANYETİK SPEKTRUM X-IŞINLARI IŞIMA ÇEŞİTLERİ MİKRODALGALAR ÖZET DEĞERLENDİRME SORULARI ÜNİTE 11: IŞIK VE RENK 1. GİRİŞ IŞIK AYNALAR VE YANSIMA KIRINIM PRİZMALAR RENK POLARİZE IŞIK GİRİŞİM ÖZET DEĞERLENDİRME SORULARI IV-

7 ÜNİTE 12: SES 1. GİRİŞ SIKIŞTIRMA DALGALARI SESİN HIZI SESİN ÖZELLİKLERİ GİRİŞİM DOPPLER ETKİSİ AKUSTİK GÜRÜLTÜ ÖZET DEĞERLENDİRME SORULARI ÜNİTE 13: RADYOAKTİFLİK VE NÜKLEER ENERJİ 1. GİRİŞ RADYOAKTİF ELEMENTLER RADYOAKTİF ATOMLAR NÜKLEER RADYASYON BOZUNMA VE YARI-ÖMÜR RADYASYON TARANMASI RADYASYON SAYAÇLARI FİSYON (BÖLÜNME) FÜZYON (KAYNAŞMA) ÖZET DEĞERLENDİRME SORULARI YARARLANILAN VE BAŞVURULABİLECEK KAYNAKLAR ÜNİTELERDEKİ DEĞERLENDİRME SORULARININ DOĞRU YANITLARI TRİGONOMETRİK FONKSİYONLAR ÇİZELGESİ V -

8 BAŞLARKEN Bilim ve teknoloji çağını yaşamaktayız. Başdöndüren hızla artan gelişmeler karşısında, sağlık kurumlarında çalışan değerli sağlık personeli arkadaşlarımızın en iyi bilgilerle donatılmaları kaçınılmaz bir görevdir. Elinizdeki kitap, Anadolu Üniversitesi Açıköğretim Fakültesinin Sağlık Personeli Önlisans Programları için hazırlanmış bulunan Fizik dersine attir. Bu kitap onüç üniteden oluşmuştur. Bunlar Fiziğe Giriş, Kuvvet ve İş, Hareket, Dinamik, Maddenin Özellikleri, Isı, Isı ve Kullanımı, Elektrik, Elektrik ve Kullanımı, Dalgalar, Işık ve Renk, Ses, Radyoaktiflik ve Nükleer Enerji'dir. Şüphesiz çok geniş konuları içeren Fizik biliminin tamamını bu kapsamdaki bir kitapta vermek mümkün değildir. Uzaktan öğretim, yüzyüze eğitimden farklı özellikler gösterir. Bunlardan birisi, sınıfta verilen derste öğrenci, anlayamadığı bir konuyu anında öğretmenine sorup öğrenebilir. Uzaktan öğretimde buna olanak yoktur. Çünkü, elinizde sadece bir kitap, karşınızda TV vardır. Elinizdeki kitaptaki üniteler, uzaktan öğretimde basılı malzemenin taşıması gereken ortak özellikler doğrultusunda düzenlenmiştir. Her ünite belirli biçimsel özellikler taşımaktadır. Sözgelimi önce ünitenin amaçları ile bizi bu amaçlara ulaştıracak içerik belirtilmiştir. Ardından konunun işlenmesine geçilmiştir. Konu içinde size yer yer sorular yöneltilmiştir. Ünite sonunda konunun kısa bir özeti ile kendinizi değerlendirme soruları bulunmaktadır.fizik dersinde bazı konular size TV kanalıyla aktarılacaktır. Diğerlerini ise kendiniz çalışmak suretiyle öğreneceksiniz. Anlamadığınız konuları ve kafanızda beliren şüpheli kavramları bize yazınız veya en yakınınızda bulunan fizikçilere sorunuz. Saygıdeğer sağlık personeli arkadaşlarımıza şimdiden başarılar diler, bu programın hazırlanmasında emeği geçen herkese teşekkür ederiz. - VI -

9 NASIL ÇALIŞALIM? Çalışırken aşağıdaki önerileri gözönünde bulundurursanız daha başarılı olacağınız inancındayız. Ders çalışmanızı bir programa bağlayınız. Çalışırken meşgul edilmeyeceğiniz bir ortam ve zaman seçiniz. Çalışırken yanınızda kağıt ve kalem bulundurunuz. Unutmayınız ki Fizik dersi yazarak ve çizerek çalışmayı gerektirir. Her ünitenin ilk sayfasında ünitenin amaçları ve ünitenin çalışılmasına ilişkin öneriler yer almaktadır. Önce bunları dikkatle okuyunuz. Sizden beklenen ön bilgilerin neler olduğunu ve size hangi bilgilerin verileceğini öğreniniz. Her ünitenin sonunda "değerlendirme soruları" yer almaktadır. Bu soruları cevaplamaya geçmeden önce üniteyi kavradığınızdan emin olunuz. Ünitelerde verilen örnekleri meslektaşlarınızla tartışınız. Değerlendirme sorularını cevaplandırırken hiçbir kaynaktan yararlanmayınız. Verdiğiniz cevapları kitabınızın sonunda verilen doğru cevaplarla karşılaştırınız. Doğru cevap sayınız yeterli değilse veya bazı problemleri çözemiyorsanız, ünitenin ilgili yerlerini veya tümünü yeniden çalışınız. Unutmayınız ki kendinizi değerlendirecek kişi yine sizsiniz. Ünitelerde aktarılan bilgilerin birbirlerinin tamamlayıcısı olduklarını düşünerek, bir üniteyi kavramadan ötekine geçmeyiniz. Çalışmalarınızın başarılı olmasını dilerim. Editör Yrd.Doç.Dr. Ali CEMALCILAR - VII -

10 ÜNİTE 1 Fiziğe Giriş Amaçlar Bu üniteyi çalıştıktan sonra, fiziğin çalışma konularını, deneysel fiziğin yöntemlerini, teori ve kanunları, fizikte ölçmeyi ve çeşitli ölçme yöntemlerini kavrayacaksınız. İçindekiler Giriş Fiziğin Yöntemleri Deneysel Fizik Teori ve Kanunlar Ölçüm Uzunluk Ölçümü Hacim Ölçümü Ağırlık ve Kütle Ölçümü Sıcaklık Ölçümü Özet Değerlendirme Soruları Öneriler Ünite sonundaki soruları yanıtlayınız. Zorluk çekiyorsanız lütfen yeniden üniteye dönünüz. Ünite içindeki örnekleri sakin bir ortamda birkaç defa okuyun. Ünitelere ilişkin çevrenizdeki kitaplıklardaki kaynaklara da ulaşmalısınız.

11 1. GİRİŞ Madde ve enerjinin incelenmesi fiziksel bilimlerin temelini oluşturur. Madde, evrende yer kaplayan ve onu teşkil eden nesnelere verilen isimdir. Örneğin, vücudunuz, elinizdeki bu kitap ve üzerinde çalıştığınız masa birer maddedir. Uzayda yer kaplayan ve bir kütleye sahip olan her şey maddedir. Fizikte metallerin, suyun ve havanın özelliklerini öğreneceksiniz. Özellik, bir maddenin ne şekilde davranışta bulunacağını belirler. Sertlik, elmasa has bir özelliktir. Elmasın çizilmesi oldukça zordur. Kömürün siyah olması onun bir özelliğidir. Kömürün siyah görünmesi, ışığı çok iyi bir şekilde yutmasından ileri gelir. Konular ilerledikçe elektrik, ses, ısı ve ışığın özelliklerini de öğreneceksiniz. Bütün bunlar enerjinin değişik şekilleridir. Madde ve enerji birbiriyle yakından ilgilidir. Enerjiye sahip olan herhangi birşey kendisini veya başka birşeyi hareket ettirebilir. Örneğin, vücut sıcaklığınızı bir termometre ile ölçebilirsiniz. Vücudunuzdaki ısı enerjisi, termometredeki sıvının yükselmesine yol açar.? Vücudunuzda enerjiyi sağlayan nedir? 2. FİZİĞİN YÖNTEMLERİ Fizikte çeşitli yöntemler, kavramları geliştirmek ve test etmek için kullanılırlar. Bir bilim adamı çeşitli gözlemler yapar, kavramları önerir, teste tabi tutar ve bunlardan sonuçlar çıkarır. Gözlem fiziğin temelidir. Örneğin, gökyüzüne bakıyorsunuz. "Gökyüzü bulutludur" diyorsunuz. Bu ifade bir gözlemdir. Gözlem yapabilmek için özel gereçler sıkça kullanılırlar. Bunlar arasında bir cetvel, termometre ve mikroskop sayılabilir. Gözlem ve gerçeklerden hareketle, bir bilimci bir hipotez önerebilir. Hipotez bilimsel bir "tahmin" sayılabilir. Hipotez, bir soruna önerilen bir cevap veya bir çözüm olabilir. Hipotez önerilir önerilmez teste tabi tutulmalıdır. Örneğin, bir bilimci şu hipotezi ortaya atmış olsun: Bir posta güvercini yolunu bulmak için güneşi kullanır. Bu hipotezi test etmek üzere, bilim adamı güneşli bir günde 25 adet güvercini aynı noktadan bıraksın. Kaç adet güvercinin tekrar yuvasına döneceğini beklesin. Bundan sonra, yine 25 adet güvercin bulutlu bir günde aynı yerden bırakılsınlar. Yine, bilimci ne kadar güvercinin döneceğini beklesin. Güneşli günde 25 güvercinin tamamının yuvaya döndüğünü tesbit etsin. Bulutlu günde ise sadece 10 güvercin dönmüş olsun

12 Bilim adamı, bunun üzerine güvercinlerin yollarını bulmakta güneşi izledikleri sonucuna varmaktadır. Varılan sonuç gözleme dayanan bir yargı olmaktadır. Bununla beraber, sonuç doğru olmayabilir. Belki de bir fırtına sürünün bulutlu bir günde yuvaya dönüşünü engellemiş olabilir. Sabahleyin uyandığınızda güneşli bir günle karşılaşıyorsunuz. Buradan günün çok güzel geçeceği sonucunu çıkarabilirsiniz. Vardığınız bu yargı gözleme dayanmaktadır. Yargınız doğru veya yanlış olabilir. Gerçek uygulamada, bilimsel yöntemler kesin sayılmazlar. Başarılı bilim adamlarının çalışması bunun adım adım bir işlem olmadığını ortaya koymuştur. Hüner, şans, deneme yanılma ve zekice tahminde bulunma hepsi birden bunda önemli rol oynar. 3. DENEYSEL FİZİK Fizikte daima deney yapılarak sonuca varılır. Yapılan çalışmaların kayıtları daima hassas olarak alınmalıdır. Deneysel bir çalışma şu şekilde sıralanabilir: a. Problem. Bir deneyi yaparken hangi soruyu cevaplamayı umuyorsunuz? b. İşlem. Ne gibi şeyler yapıyorsunuz? c. Gözlemler.Ne gibi şeyler görüyor, işitiyor veya hissediyorsunuz? Ne değişiklikler meydana gelmiştir? d. Sonuç. Gözlemlerinize dayanarak, soruna cevabınız nedir? Deneylerin çoğu bir kontrola sahiptir. Bir kontrol, kıyaslama için bir standard olmaktadır. Kontrol işlemin bir parçası olabilir. Bir doktor yeni bir ilacı denemektedir. İki grup insan olsun. Bir gruba ilacı versin. Diğerine ise ilaç verilmesin. Bu grupların ikisi de hasta olabilir. Burada ilaç verilmeyen grup, kontrol grubudur. Diğerleri ise denek sayılabilir. 4. TEORİ VE KANUNLAR Bilimsel bir teori, gözlemlere ve deneylere dayanan bir açıklamadır. Örneğin, kuşlar uçarken yollarını nasıl bulduklarına ait çeşitli teoriler mevcuttur. Bunlardan birisi, kuşların yerin manyetik alanını kullandıklarını ileri sürmektedir. Diğer bir teoriye göre, kuşlar güneş tarafından yönlendirilmektedir. Uzun yol kateden kuşlar ise yıldızlar tarafından yönlendirilmiş olabilirler

13 Teoriler ve kanunlar değiştirilebilirler. Bunlar sıkça teste tabi tutulurlar. Yeni bir gözlem bir teorinin veya kanunun yanlışlığını ortaya çıkarırsa, teori ya değiştirilir veya ortadan kaldırılır. Örneğin, bir zamanlar bu bir kanundu: Madde ne yaratılabilir ne de yok edilebilir. Yeni gözlemler bu ifadenin doğru olmadığını ortaya çıkarmıştır. Bazı şartlar altında madde enerjiye dönüşebilir. 5. ÖLÇÜM Ölçme bilimin temel bir parçasıdır. Sayılar ve birimler ölçüm yapmak için kullanılırlar. Bazı şeylerin ölçümünde kullanılan sayılar ve birimler hakkında halihazırda bazı bilgileriniz vardır. Şimdi, herhangi bir şeyin uzunluğunu ne şekilde ölçebileceğinizi düşününüz. Bir cetvele ihtiyaç duyduğunuzu hemen anlıyorsunuz. Herhangi bir şeyi elinize geçirip onun uzunluğunu bir cetvel olarak kullanabilirsiniz. Uzun mesafeleri ölçmek için ayakkabınızın uzunluğunu bir ölçek olarak alabilirsiniz. Ölçtüğünüz uzunluğun 25 ayak uzunluğunda olduğunu kabul edelim. Aynı ölçümü başkalarına yaptıralım. Onlar aynı sonucu verebilecekler mi? Ölçüm yaptırdığımız kimselerin ayak uzunlukları oldukça farklı olabilir. Kullanılır olmakla birlikte, ölçüm biriminiz pratik sayılamaz. Pratik ölçümler yapabilmek için, bir ölçme standardı kullanılmalıdır. Standart ise ölçüm yapan bir kimsenin kullandığı sabit bir niceliktir. Çoğu kimselerin kullandığı birimler sistemi metrik sistemdir. Tüm ülkelerdeki bilim adamları çalışmalarında bu birimleri kullanmaktadırlar. Yeryüzündeki tüm bilim adamları diğerlerinin ölçümlerini bu şekilde anlayabilir. Metrik sistemin modern şekli ise Uluslararası Birimler Sistemi veya kısaca SI olarak bilinir. En önemli SI birimleri; kilogram (kg), metre (m) ve saniye (s)dir. 6. UZUNLUK ÖLÇÜMÜ Metre (m) bir uzunluk birimidir.bir kapı kolundan döşemeye olan mesafe bir metre kadardır. Metre eşit 100 parçaya ayrılmıştır. Herbir parçaya santimetre (cm) denir. Yani, bir metrede yüz santimetre vardır

14 Daha küçük bir birim ise milimetredir (mm). Bir metrede 1000 milimetre, bir santimetrede ise 10 milimetre vardır. Uzun mesafeler kilometre (km) cinsinden ölçülür. Bir kilometre 1000 metredir. Bir birimden diğerine geçiş çok kolaydır. 10 sayısının çarpanları ile bölme veya çarpma yapılacaktır. Örneğin, 945 milimetre 94,5 cm veya 0,945 m.dir.? Karayollarındaki hız limiti nedir? (90 km/saat) 7. HACİM ÖLÇÜMÜ Hacim birimi genel olarak; uzunluk, genişlik ve yükseklik ölçümü gerektirir. Hacim birimleri uzunluk birimlerinden türetilebilir. Metreküp (m 3 ) bir hacim birimidir. Ancak, metreküp çok büyük bir hacim ölçüsüdür. Pratikte daha küçük hacim ölçüleri kullanılır. Litre (L) bunlardan birisidir. Çoğu soğuk içecekler litrelik şişelerde satılmaktadır. Daha küçük hacimsel ölçümler için mililitre (ml) veyahut santimetreküp (cm 3 ) kullanılır. Bir litrede 1000 mililitre veya 1000 cm 3 vardır. Sıvı hacimleri ölçekli silindirik kaplarla ölçülür. Bunlar laboratuvarlarda çeşitli boyda ölçekli silindirik camdan yapılmışlardır. Bu tür bir silindirik ölçek kabındaki sıvı seviyesi, o sıvının hacmini gösterir. (Şekil.1)'de görüldüğü gibi sıvı yüzeyi eğridir. Sıvının hacmini okurken, eğrinin taban düzeyi okunmalıdır ml Şekil 1. Sıvı ölçek kabı

15 ? 25 cmx25 cm x 5 cm ebadında bir kabın alabileceği suyun hacmi nedir? (3125 cm 3 ) 8. AĞIRLIK VE KÜTLE ÖLÇÜMÜ Ağırlık, bir cisim üzerinde yerçekimi kuvvetinin bir ölçüsüdür. Ağırlığınız sizi yere doğru çeken kuvvettir. Kuvvetin birimi newton (N) dir. Ağırlık yaylı kantarla ölçülebilir. Kütle, bir cisimdeki madde miktarıdır. Kütle yerçekimine bağlı değildir. Kilogram (kg) kütle birimidir. Kilogram, gram (g) adı verilen 1000 eşit parçaya ayrılmıştır. Bir kağıt kıskacı yaklaşık 1 gramdır. Bir mililitre su, oda sıcaklığında bir gram kütleye sahiptir. Kütle, bir terazi ile ölçülebilir. Kütlesi bilinmeyen bir cisim terazinin bir kefesine, bilinen kütleler ise diğer kefeye konulur. İki kefe dengeye gelince, bilinen kütleler cismin kütlesini vermiş olur. 9. SICAKLIK ÖLÇÜMÜ Günlük hayatta sıcaklık ölçümü, Celcius sıcaklık ölçeği ile ölçülür. Hava tahminlerinde kullanılan sıcaklık dereceleri, Celcius derecesi cinsinden verilir. Bu sıcaklık ölçeği, suyun donma ve kaynama noktasına göre düzenlenmiştir. Suyun donma noktası O Cdir. Suyun kaynama noktası ise 100 C dir C arası eşit olarak derecelendirilir. Sıvılı bir termometre çevre sıcaklığı ile değişme gösterir. Vücut sıcaklığını ölçen termometreler bu esasa göre çalışır. Normal bir insanın vücut sıcaklığı 36 Cdir. Hastalanınca vücut sıcaklığı yükselir. Özet Fizik madde ile enerji ilişkisini inceleyen bir bilimdir. Hipotez gözlem ve gerçeklere dayanılarak önerilir. Hipotezler, teoriler ve bilimsel kanunlar deneylerle test edilirler. Ölçüm için metrik veya SI sistemi kullanılır. Metrik sistemde birimler on ve onun üst veya alt katlarıyla dönüştürülürler. Ağırlık bir cisme yerçekiminin etkisidir. Kütle ise cisimdeki madde miktarıdır. Celcius sıcaklık ölçeği, suyun donma ve kaynama noktasına göre ayarlanmıştır

16 Değerlendirme Soruları 1. 3,2 m. cm cinsinden yazıldığında aşağıdakilerden hangisine eşit olur? A) 0,32 B) 32 C) 320 D) 0, 032 E) Mili öntakısı aşağıdakilerden hangisidir? A) 1 B) 10 C) 100 D)1/100 E) 1/ Kilo öntakısı aşağıdakilerden hangisidir? A) B) 1000 C) 100 D) 10 E) 1 4. Bir cm 3 aşağıdakilerden hangisine eşittir? A) mililitre B) litre C) kilogram D)kilometre E) gram 5. Litre ne ölçüsüdür? A) uzunluk B) alan C) hacim D) ağırlık E) kütle 6. Ölçekli silindirik kap içerisine bir taş atılıyor. Suyun hacmi 18 'den 22 mililitreye yükseliyor. Taşın hacmi ml. olarak nedir? A) 1 B) 2 C) 3 D) 4 E) 5 7. Ölçekli silindirik kapta 15 ml su bulunuyor. Suyun kütlesi gram olarak nedir? A) 150 B) 0,15 C) 5 D) 10 E)

17 8. Boyutları 20x15x12 cm olan bir kutunun hacmi nedir? A) 3600 B) 3000 C) 4000 D) 3800 E) Yoğunluğu 0,8 g/cm 3 olan bir yağ, hacmi 1 litre olan bir kaba dolduruluyor. Yağın kütlesi kg olarak nedir? A) 1,0 B) 0,8 C) 10 D) 8 E) 1,8 10. Kütlesi 60 kg olan bir çocuğun ağırlığı kaç newtondur? (Yerçekimi ivmesi 9,8 m/s 2 dir). A) 554 B) 568 C) 588 D) 600 E)

18 ÜNİTE 2 Kuvvet ve İş Amaçlar Bu üniteyi çalıştıktan sonra, kuvvet ve iş kavramlarını, basit makinaları, kaldıraçları, mekanik fayda kavramını, makaraları, eğik düzlemi, mekanik verimi, güç kavramlarını öğreneceksiniz. İçindekiler Giriş Kuvvet İş Basit Makinalar Kaldıraçlar Mekanik Fayda Makaralar Eğik Düzlem Verim Güç Özet Değerlendirme Soruları Öneriler Bu ünitedeki kavramları iyice çalışınız. Soruları yanıtlayınız, Birim sistemlerini yeniden gözden geçiriniz. Ünite işlenirken verilen örnekleri dikkatle inceleyin. Verilen örneklere benzerlerini siz bulun. Üniteyi çalışırken kaynakçada belirtilen kaynaklardan en az birine ulaşmaya çalışınız.

19 1. GİRİŞ Bu ünitede fizikte ve günlük hayatta sıkça karşımıza çıkan kuvvet kavramı üzerinde durulacaktır. Kuvvetin etkisiyle ortaya çıkan iş kavramı tanıtılacaktır. Ayrıca, basit ve bileşik makinalar yoluyla bu kavramlar pekiştirilecektir. Mekanik fayda, sürtünme, güç ve verim üzerinde örnekler verilecektir. 2. KUVVET Bir futbol topuna vurunuz, bir basket topunu fırlatınız. Tahta bir çerçeveye çivi çakınız. Herbir durumda bir cisim hareket etmiştir. Bir cismi harekete geçirmek için kuvvet gerekmektedir. Kuvvet bir itme veya çekmedir. Bir kuvvet daima bir harekete sebep olabilir mi? Üzerinde çalıştığınız masaya bastırın veyahut odanızın duvarını kuvvetlice itiniz. Masa veya duvar hareket edebilir mi? Ellerinizin avuç içlerini birlikte bastırıp, kuvvetlice itiniz. Eğer zıt kuvvetler birbirini dengeliyorsa elleriniz hiçbir surette hareket etmeyecektir. Dengelenmiş demek kuvvetlerin eşit fakat birbirlerine zıt yönde olduklarını belirtir. Dengelenmemiş demek kuvvetlerden birinin diğerinden daha büyük olmasını gösterir. Hareket, zıt kuvvetlerin dengelenmediği durumda ortaya çıkar. Masanızı ittiğinizde, masanın da sizi eşit bir kuvvetle ittiğini düşünebilirsiniz. Zıt kuvvetler dengelenmiştir, öyle ki masa hareketsiz halde kalır. Bir cismi harekete geçirecek olan kuvvet hesaplanabilir. Kuvvetin şiddeti harekete geçirilecek cismin kütlesiyle ivmesine bağlıdır. Masayı harekete geçirmek, bir kitabı hareket ettirmekten daha zordur. Zira, kitabın kütlesi daha azdır. Kuvvet birimi newton (N) olup, F harfi ile gösterilir. 3. İŞ Çim biçmek bir iştir. Bir arabayı yıkamak ve ağırlık kaldırmak ta işe bir örnektir. Fizikte ise işin kesin bir tanımı vardır. İş, kuvvet ile bunun etkisiyle hareket eden bir cismin aldığı yolun çarpımıdır. İş = Kuvvet x Yol W = F x D Kuvveti newton cinsinden ve yolu ise metre cinsinden ölçüyoruz. İş birimi joule (J) dür. Bir

20 newtonluk kuvvetin tesiriyle bir metre yol alan bir cisme yapılan iş bir jul'dür. 10 newtonluk kuvvetin etkisiyle 1 metrelik taşınan bin sandık üzerinde yapılan iş ise 10 jul'dür.? 100 newtonluk bir kuvvetin etkisiyle beton bir blok 1,5 m hareket ettiriliyor. Yapılan iş nedir? W = F x D W = 100 N x 1,5m W = 150 Nm = 150 J 4. BASİT MAKİNALAR Basit bir makina uygulanan bir kuvvetin yönünü veya yolunu değiştirmek suretiyle işi kolay kılar. Bir ağaç dikmek üzere bir çukur kazdığınızı düşünelim. Parmaklarınızla bu işi başarabilir misiniz? Bir kürekle bu işi kolayca halledebilirsiniz. Kürek basit bir makinaya çok iyi bir örnek teşkil eder. Altı çeşit basit makina vardır: Kaldıraç, makara, çıkrık, eğik düzlem, vida ve nacak. Bazı makinalar işi kolaylaştırır zira bunlar uygulanan kuvvetin şiddetini arttırırlar. Örneğin, bir tornavida buna bir örnektir. Bir makinanın bir kuvveti artırma miktarına mekanik fayda diyoruz. Bir makinanın faydası daima birden büyük değildir. Bazen kuvvetten sağlanan kazanç, kuvvetin yönünü değiştirmek veya hız kazanmak üzere kayba uğrayabilir. Örneğin, bir yumurta çırpıçısındaki döner kanatlar kendini çeviren koldan daha hızlı dönerler. Sürtünme bir makinanın mekanik faydasını azaltır. Sürtünme, hareketi engelleyen bir kuvvettir, çalışan bir makinayı yavaşlatır ve yıpranmasına yol açar. Şayet ellerinizi birbirine sürterseniz, ellerinizin ısındığını hissedersiniz. Bu ısı sürtünme sonucu ortaya çıkmaktadır. Bir makina çalıştığında da benzer tarzda bir ısı ortaya çıkar. Sürtünme daima işi ısıya dönüştürür. Isıya dönüşen bu enerji makinanın yaptığı işten bir kayıp demektir. Böylece, makinanın mekanik faydası azalmış olur. Buzlu bir yolda hareket eden bir otomobili ele alalım. Lastikler özel olarak sürtünmeyi arttıracak şekilde yapılmamış ise, hareket çok zorlaşır ve kayma meydana gelir. Buzlu yollarda zincir takılması bu yüzden zorunlu olmaktadır

21 5. KALDIRAÇLAR Kaldıraç sabit bir nokta etrafında serbestçe dönebilen bir çubuktur. Kaldıracın dönme noktasına destek adı verilir. Bir kaldıraç yapılan işi kolaylaştırılabilir. Bir etki kuvveti kaldıraca uygulanınca karşı tepki kuvveti yenilebilir. Üç tip kaldıraç vardır. Bu sınıflandırma, desteğin tepki ve etki kuvvetinin konumuna göre yapılır. Birinci sınıf kaldıraçta destek, etki ve tepki kuvvetleri arasında kalır. İkinci sınıf kaldıraçta, tepki kuvveti etki ve destek arasındadır. Üçüncü sınıf kaldıraçta ise, etki, destek ve tepki arasındadır (Şekil.2). Tepki (yük) Etki Etki yük yük Etki Destek Destek Destek 1 nci 2 nci 3 ncü Şekil 2. Kaldıraç türleri Bir kaldıraçta iki kısım vardır: Etki ve yük kolu. Etki kolu, destekden etki kuvvetine olan uzaklıktır. Yük kolu ise destekten yüke kadar olan uzaklıktır. Yük ise kaldıracın kaldıracağı ağırlıktır. Örneğin, 1000 newtonluk bir kayayı kaldıran kaldıracın yükü bu kayanın ağırlığıdır. 6. MEKANİK FAYDA Bir kaldıracın mekanik faydası denilince, o kaldıracın tatbik edilen bir kuvvetle, kaldırdığı yük arasındaki kıyaslama akla gelir. Bir makina uygulanan 10 newtonluk kuvvetle 100 newtonluk bir kuvvet meydana getirsin. Bu makina uygulanan kuvveti 10 kat artırmıştır. Mekanik fayda 100N/10N = 10 olmaktadır. Bir kaldıracın mekanik faydası onun etki ve yük kollarına bağlı olmaktadır. Uzun bir etki kolu yanında kısa bir yük kolu yüksek bir mekanik fayda sağlar. Bir kaldıracın mekanik faydası bulunurken; M.F. = Mekanik fayda = Etki kolu Yük kolu

22 ? Bir otomobil lastik jant sökücüsünün etki kolu 45 cm ve yük kolu ise 9 cm dir. Bunun mekanik faydası nedir? M.F. = Etki kolu = 45 cm Yük kolu 9cm =5 7. MAKARALAR Makara basit bir makinadır. Cisimleri hareket ettirmekte ve iş yapmakta kullanılır. Bir makara gerçek bir kaldıraç türüdür. Tek bir noktaya tespit edilebilir veya hareketli olabilir. Makara bir kuvvetin yönünü değiştirmek suretiyle işi kolaylaştırabilir. Örneğin, sabit bir makaradan geçirilen bir ip vasıtasıyla bir yükü kaldırabilirsiniz. Siz yerde kalırken ağır yük ip çekildikçe yukarı doğru kaldırılmış olur. Sabit bir makara ile, etki kuvveti bir yönde uygulanmış olur. Yük ise zıt yönde hareket eder. İki veya daha fazla makara birlikte kullanılarak bir yükü kaldırmak için gerekli kuvvet azaltılmış olur. Bir makaralar takımının mekanik faydası yükü taşıyan iplerin veya sicimlerin sayısına eşittir (Şekil. 3.)... KUVVET KUVVET. KUVVET YÜK M.F = 1 YÜK M.F = 2 YÜK M.F = 2 Şekil 3. Çeşitli makaralar ve mekanik faydalar. Gerçekte, mekanik fayda yükü tartan iplerin sayısından daha azdır. Sürtünme ve ipteki gerilmeler, mekanik faydayı azaltır

23 8. EĞİK DÜZLEM Bir rampa ve merdiven basamakları bir eğik düzlemin en iyi örneklerini teşkil eder. Eğik bir düzlem, cisimleri yükseltmeğe yarayan yatık bir yüzeydir. Eğik düzlem kullanılarak ve daha az bir kuvvet sarfedilerek bir yük kaldırılabilir. Ancak, bu yükü doğrudan yukarı kaldırmakta alınan mesafeden daha uzun bir yol takip edilmiş olur (Şekil.4). 3m 5m F 200N 3m 200N 4m Şekil 4. Eğik düzlemde yükün taşınması ve doğrudan yukarı kaldırılması. (Şekil.4) te görülen eğik düzlem üzerinde 120 N luk bir kuvvetle 5 m yol alınarak eğik düzlemin üst ucuna yük taşınmış olur. Diğer yandan, 200 N'luk yük daha büyük bir kuvvetle doğrudan bir makara ile yukarı 3 m kaldırılmış olur. Gerçek durumda sürtünme kuvveti de gözönüne alınmalıdır. Bu durumda sürtünme kuvvetini yenmek için daha büyük bir kuvvet uygulanmalıdır. Eğik bir düzlemin mekanik faydası, uzunluğunun yüksekilğine oranıdır. Bu durumda (Şekil.4) deki eğik düzlem için mekanik fayda 5/3 tür. Eğik düzlemin yatık yüzünün uzunluğu arttıkça yükü taşımak için daha az bir kuvvet gerekecektir. 9. VERİM Bir kaldıracı itince, makinaya bir iş yaptırmış oluyorsunuz. Bir makaranın ipini çektiğinizde, makinaya bir iş yaptırmış oluyorsunuz. Herhangi bir makinaya bir iş yaptırmak için ona mutlaka bir iş yapmak zorundasınız. Makina bu işi daha kullanışlı bir işe dönüştürür. Bunu yaparken de kuvvetin şiddetini, yolunu ve hareket doğrultusunu değiştirir. Bir makinadan elde edilen kullanışlı iş daima verilen işten daha küçüktür. Niçin? Verilen işin bir kısmı sürtünmeyi yenmekte kullanılır. Alınan işin verilen işe oranı, bir makinanın verimi

24 olarak tanımlanır. Yüksek verim, verilen işin çoğunun makina tarafından kullanışlı işe dönüştürülmesi demektir. Düşük verim, verilen işin bir kısmının kaybolduğunu ve kullanışlı bir işe dönüştürülemediğini gösterir. Verim daha ziyade yüzde olarak ifade edilir. Verim yüzdesi = Alınan iş Verilen iş x 100 Bir makinanın verimini nasıl arttırabilirsiniz? Verim sürtünme azaltılmak suretiyle arttırılabilir. Zımparalama veya yağlama bir yüzeyi parlatır ve sürtünmeyi azaltır. Gresleme veya yağlama suretiyle makinaların çoğunda sürtünme azaltılır. Bisiklet tekerlekleri veya diğer makinalardaki bilya yatakları yağlanarak sürtünme azaltılır. Verimi artırmak suretiyle doğal kaynakların korunması önemli bir adım sayılır, verim arttıkça doğal kaynakların örneğin petrol ve kömür vs. daha az kullanılması söz konusu olur. 10. GÜÇ Fizikte güç kavramı bir işin yapılma hızını gösterir. Yani, birim zamanda yapılan işe güç denir. Örneğin, büyük bir motor, küçük bir motordan daha güçlüdür. Büyük motor daha az zamanda bir işi yapabilir, işi yaparken daha az zaman kullanılması daha çok gücün sarfedildiğini gösterir. Güç birimi Watt (W) dır. Bir watt her saniye başına bir jul'lük iş yapıldığını gösterir. Güç birimi (Watt = J/s) olup, buhar makinasını icat eden James Watt'ın adı verilmiştir. Bir makinanın gücünü bulmak için: Güç (watt) = İş (jul) Zaman (s) ; P = W t Pratikte güç birimi olarak beygir gücü (= horsepower) kullanılır. Bu birim bir atın yapacağı işe göre tanımlanmıştır. Bir beygir gücü 746 Watt'a eşittir.? Bir takım makaralar kullanmak suretiyle 900 N'luk bir kayık kaldırılmak isteniyor. Kayık 50 saniyede 2 metre kaldırılmıştır. Harcanan güç kaç watt'tır

25 W = FxD W = 900Nx2m = 1800J P = W t = 1800 J 50 s =36W Özet Bir kuvvetin etkisiyle bir cisim hareket ettirilirse iş yapılmış olur. Makinalar işi kolayca yapabilmek için icad edilmişlerdir. Bunlar uygulanan kuvvetin şiddetini, yönünü veya yolunu değiştirebilir. Makinalar işi yapacak kuvveti daha az bir gayret sarfetmekle yapmamızı sağlayabilirler. Basit makinalar altı çeşittir. Bunlar; kaldıraç, makara, çıkrık, eğik düzlem, nacak ve vidadır. Bir makinadan alının iş daima verilen işten daha azdır. Birim zamanda yapılan işe güç denilir. Değerlendirme Soruları N ağırlığındaki bir bavul 0,5 m kaldırılıyor. Yapılan iş Jul cinsinden nedir? A) 30 B) 40 C) 50 D) 60 E) N luk bir sandık yatay ve sürtünmesiz bir düzlemde 5 m taşınıyor. Yapılan iş kj cinsinden nedir? A) 0,05 B) 0,5 C) 5 D) 50 E) Bir elektrik mikseri N m lik bir işi 3 dakikada yapmaktadır. Bu aletin gücü watt cinsinden nedir? A) 80 B) 100 C) 120 D) 140 E)

26 4. Bir makara sisteminde 1000 N luk bir yük 3 iple tartılmaktadır. Buna göre bu sistemin mekanik faydası nedir? A) 0 B) 1 C) 2 D) 3 E) 4 5. Aşağıdakilerden hangisi hareketi engelleyici tarzdadır? A) mekanik fayda B) iş C) güç D) ağırlık E) sürtünme kuvveti 6. Birinci sınıf kaldıraçlarda aşağıdakilerden hangisi doğrudur? A) etki-destek-tepki B) tepki-etki-destek C) etki-tepki-destek D) etki-tepki-etki E) destek-etki-tepki 7. Eğik yüzeyi 13m ve yüksekilği 5m olan bir eğik düzlemin tabanı 12m dir. Bu eğik düzlemin mekanik faydası aşağıdakilerden hangisidir? A) 12/13 B) 13/12 C) 12/5 D) 5/12 E) 5/13 8. Bir dakikada 3000 Jul'lük iş yapılırsa watt cinsinden güç ne olur? A) 3000 B) 30 C) 300 D) 500 E) Kuvvet birimi aşağıdakilerden hangisidir? A) newton B) jul C) watt D) newton metre E) kilogram 10. Bir sandık sağa doğru 500 N, sola doğru 300 N'luk bir kuvvetle çekiliyor. Net kuvvet ve hareket yönü nedir? A) 200 N; sola B) 200 N; sağa C) 800 N; sola D) 800 N; sağa E) 200 N; yukarı

27 ÜNİTE 3 Hareket Amaçlar Bu üniteyi çalıştıktan sonra, hareket kavramını, hareketi doğuran kuvvetleri, hız kavramını, ivme kavramını, enerji kavramını, hareket ile enerji arasındaki ilişkiyi öğreneceksiniz. İçindekiler Giriş Ağırlık ve Kütle Çekim Kuvveti Hız ve Sürat Ortalama Hız İvme Enerji Özet Değerlendirme Soruları Öneriler Bu ünitedeki kavramları iyice çalışınız. Ünite sonundaki soruları yanıtlayınız. Ünite içindeki sorulara verdiğiniz karşılıklar doğru değilse ünitenin başına dönerek bir kez daha okuyun. Bir üniteyi kavramadan diğerine geçmeyin.

28 1.GİRİŞ Bu üniteye yerçekiminin cisimlerin ağırlığına etkisi ile başlanılacaktır. Cisimlerin hareketi ile ilgili kavramlar üzerinde durulacaktır. Sürat, hız ve ivme kavramları geliştirilecektir. Enerjinin hız, kütle ve cisimlerin konumları ile ilişkileri incelenecektir. Bu ünite, bize daha önceki ünitede öğrendiğimiz kuvvet kavramının tüm hareketlerin başlaması veya durdurulması hususunda ne derece etkin olduğunu yeniden vurgulayacaktır. 2. AĞIRLIK VE KÜTLE Yerin çekim kuvveti bütün cisimleri etkiler. Bir uçaktan atlayan paraşütçü yere doğru yönelir. Havada takla atarsanız yine yere düşersiniz. Kitabınızı havaya doğru atın yine yere düştüğünü göreceksiniz. Cisimlerin yere düşmesi yerin onlara bir kuvvet etki ettirdiğini gösterir. Bu kuvvete yerçekimi diyoruz. Yerçekimi bütün cisimlere etki eder. Yerçekimi kuvveti ağırlık ile ölçülür. Bir cismin ağırlığı yaylı terazi ile ölçülür. Ağırlık birimi newtondur. Kütle, ağırlıktan farklıdır. Kütle, bir cismin madde miktarını nicelik olarak gösterir. Bütün maddelerin kütlesi vardır. Bir cismin kütlesi değişmez. Bununla beraber, bir cismin ağırlığı değişebilir. Çekim kuvetinde meydana gelebilecek bir değişme ağırlıkta bir değişmeye yol açar. Örneğin, Ay yüzünde, yeryüzündeki ağırlığın 1/6 'sı kadar bir ağırlık söz konusudur. Niçin bu farklılık vardır? Ayın çekim kuvveti, yerin çekim kuvvetinin 1/6 'sı kadardır. Kütleniz yerde ve Ayda aynı kalacaktır. Yerde birbirini dengeleyen iki kütle Ayda da bu dengeyi koruyacaktır. Yüryüzünde ağırlık, bulunulan konumla değişebilir. Yeryüzü tam bir küre değildir. Yeryüzü kutuplarda basık, ekvatorda ise şişiktir. Ekvatordan yerin merkezine olan uzaklık, kuzey kutbundan yerin merkezine olan uzaklıktan 20 km daha fazladır. Yerin merkezinden uzaklaşan bir cisme etki eden yerçekimi kuvveti azalır. Kuzey kutbunda 600 newton gelen bir şahıs, ekvatorda 597 newton çeker. Kuzey kutbundan ekvatora doğru hareket eden bir cismin ağırlığı yüzde 0,5 yani binde beş oranında azalır. Ağırlık değişmesini yüzmek üzere denize daldığınızda çok iyi hissedebilirsiniz. Suyun kaldırma kuvveti sizi yukarı doğru kaldırırken, ağırlığınızdaki azalmayı hissetmeniz doğaldır

29 3. ÇEKİM KUVVETİ Serbest bırakılan cisimler yere doğru düşerler. Yerçekimi cisimleri yere doğru çeker. Ancak, çekim kuvveti sadece yerin bir özelliği değil tüm maddelerin bir özelliğidir. Evrendeki herbir cisim diğer cisimlere etki eder. Bu cisimlerin arasındaki çekim kuvveti çok zayıftır. Örneğin, 5 ton kütleli bir kurşun top, ufacık bir topun yüzeyinde bir sivrisineğin ağırlığından daha küçük bir kuvvetle çekim uygular. Bir cismin kütlesi ne kadar artarsa çekim gücü de o derece artar. Örneğin, yeryüzü, yüzeyinde bulunan bir cisme Ayın kendi yüzeyinde bulunan bir cisme uygulandığı kuvvetten daha büyük bir çekim kuvveti uygular. Yerin kütlesi Ayın kütlesinden daha büyüktür. İki cisim arasındaki mesafe arttıkça aralarındaki çekim kuvveti de gittikçe azalır. Mesafe iki kat artarsa, çekim gücü 1/4 oranında azalır. Mesafe üç kat artarsa, çekim gücü 1/9 oranında azalır. 4. HIZ VE SÜRAT Bir topu atınca onu harekete geçiriyorsunuz. Topun ne kadar hızlı hareket etmesi onun süratini belirler. Sürat birim zamanda bir cismin aldığı yoldur. Sürat denklemi; Sürat = Yol Zaman s= d t Sürat birimi olarak kilometre bölü saat veya metre bölü saniye kullanılır. Sürat, yol ve zaman gibi iki fiziksel kavramın birbirlerine oranıdır. Örneğin, nabız atışınız, kalbinizin dakikada kaç atış yaptığını gösteren bir orandır. Otomobillerin sürati km/saat cinsinden verilir. Sabit sürat, süratin değişmediğini ifade eder. Örneğin, bir otomobil saatte 50 km 'lik sabit bir süratle yol alsın. Bu otomobil ilk saatte 50 km yol alır. İkinci saatte ise yine 50 km yol alır. İki saatlik toplam sürede = 100 km yol alır. Her saatte 50 km yol aldığında, otomobil sabit bir sürati korur. Fizikte sürat, bir cismin ne şekilde hızlı hareket ettiğini gösterir. Hız ise, hem sürati hem de yönü birlikte gösteren bir kavramdır. Örneğin, bir uçak kuzey kutbuna doğru yol alsın. Bu uçağın sürati 220 km/saat 'tir. Hızı kuzeye doğru 220 km/saat tir. Hız kavramında mutlaka yön belirtilmelidir

30 ? Şimşek çakışından sonra duyulan gök gürültüsü sesi 330 m/s lik süratle yayılıyor m lik yolu ne kadar sürede kateder? s= d t veya t = d s = 1320 m 330 m/s =4s 5. ORTALAMA HIZ Otomobiller, kamyonlar, trenler ve bisikletler çok uzun bir süre sabit süratle hareket edemezler. Hareket eden herhangi bir cismin sürati hareketi boyunca artabilir veya azalabilir. Bu türdeki bir hareketi ortalama hız cinsinden tanımlamak daha uygun düşer. ortalama hız = toplam yol toplam zaman v= d t d(m) d(m) t(s) t(s) t(s) Şekil 1. Sabit hızlı bir hareket (v =40m/s) Şekil 2. Bir trafik lambasına yakalanan otomobilin hareketi (v =20m/s) Şekil 1. 'deki otomobil trafik ışığına yakalanmadan 15 saniyede 600 m yol almıştır. O halde bu zaman aralığında ortalama hızı: olmuştur. v 1 = 600/15 = 40 m/s Şekil 2. deki otomobil ise trafik lambasına iki kez yakalanmış ve 30 saniyede 600 m yol almıştır. Bu durumda ortalama hızı: v 2 = =20m/s olur

31 6. İVME İvme, süratin veya hızın değişim oranıdır. İvme bir kuvvetle ortaya çıkar. Örneğin, bisikletinizin tekerlek kuvveti yol üzerinde bisikletinizin ivmelenmesine yol açar. Bir cisim ivmelendiğinde hızı artar. Kırmızı trafik ışığında bekleyen bir otomobilin hızı yoktur ve durmaktadır. Işık yeşil yanınca, sürücü gaz pedalına basar ve otomobil ileri doğru hareket eder. Bir dakikadan daha az bir sürede, otomobil 50 km bölü saatlik bir hıza erişir. Daha sonra otomobil hızını 90 km/saat 'lik limit hızına arttırabilir. Bu hız sabit bir hız olup, zamanla değişmez (Şekil 3). V(km/h) t(s) t(s) Şekil 3. Hız - zaman grafiği Hızın zamanla artmasının aksine eksilmesi de söz konusu olabilir. Örneğin, normal hızla giden bir otomobilin kırmızı ışığı görünce durması sırasında yaptığı hareket, hızın zamanla azalmasına bir örnek teşkil eder. Bu durumda, otomobil frenine basmak suretiyle hız zamanla yavaşlatılır ve ivme aksi yönde ortaya çıkar. Azalan ivme, otomobilin zaman içinde yavaşlayıp, durmasını sağlar. 7. ENERJİ Enerji iş yapabilme yeteneğidir. Enerji'ye sahip olan bir cisim, bir yol boyunca bir kuvvet etki ettirme yeteneğine sahiptir. Örneğin, yerde yuvarlanan bir top bu etkiye sahiptir. Enerji mekanikte iki türe ayrılabilir: Hareket enerjisi ve durum enerjisi. Hareket halindeki herhangi bir cismin kinetik enerjisi vardır. Bir cismin sahip olduğu kinetik enerji, cismin kütlesi ve hızına bağlıdır. Bu ilişki, şeklinde ifade edilebilir. K.E = 1 2 mv2-22 -

32 Bu durumda 90 km/saat hızla hareket eden bir otomobil ile bir tren düşünelim. Kütlesi çok büyük olan trenin kinetik enerjisi otomobilinkinden daha büyüktür. Aynı şekilde, kütleleri aynı iki otomobil ele alalım. Bunlardan birisi 90 km/saat, diğeri ise 40 km/saat hızla hareket etsinler. Hızı büyük olanın kinetik enerjisi daha büyük olacaktır. Hareketsiz duran bir cismin de enerjisi vardır. Bu enerji cismin konumuna bağlıdır. Yerden bir metre yükseğe kaldırılan bir cismi ele alalım. Bu cismin yere göre bir enerjisi vardır. Bu enerjiye, yani durum enerjisine potansiyel enerji diyoruz. P.E = mgh P.E = (ağırlık) (yükseklik) Örneğin, 1000 N 'luk bir cisim 5 m yükseğe kaldırılırsa potansiyel enerjisi 5000 J olmaktadır. Benzer şekilde sıkıştırılmış bir yayın sahip olduğu enerjiye potansiyel enerji diyoruz. Yay serbest bırakılınca önünde bulunan bir cismi hızla attırabilir. Yayın esneklik potansiyel enerjisi; P.E = 1 2 kx 2 ile verilir. Burada k yayın esneklik sabiti (N/m) ve x ise sıkışma veya uzama miktarıdır. Özet Ağırlık yerçekiminin etkisinde bulunan bir cisme uyguladığı kuvvettir. Kütle ise bir cisimde bulunan madde miktarıdır. Kütle çekim ile değişme göstermez. Sürat, birim zamanda alınan yoldur. Hız ise belli bir yöndeki sürattir. İvme, hızda zamanla meydana gelen değişmeyi gösterir. Kuvvetin etkisiyle hareket başlar veya durur. Hareket halindeki bir cismin enerjisine kinetik enerji denir. Bir cismin konumu veya durumundan dolayı sahip olduğu enerjiye ise potansiyel enerji denir

33 Değerlendirme Soruları 1. Yeryüzünde 90 kg kütleli bir cismin ağırlığı newton olarak nedir? (g = 10 m/s 2 alınız). A) 90 B) 900 C) 9 D) 9000 E) Yeryüzünde 900 N ağırlığındaki bir kimsenin Ayın yüzeyindeki ağırlığı nedir? (Ayın çekim ivmesi yerin çekim ivmesinin altıda biridir) A) 900 B) 600 C) 150 D) 200 E) km 'lik bir yolu 4 saatte alan bir otomobilin ortalama hızı (km/saat) nedir? A) 25 B) 50 C) 100 D) 75 E) km/saat sabit bir hızla giden bir otomobil 3 saatte ne kadar yol alır? A) 50 B) 100 C) 175 D) 200 E) km/saat hızla giden bir otomobilin hızı 10 saniyede 36 km/saat'e düşüyor. Otomobilin ivmesi m/s 2 cinsinden nedir? A) 1 B) 2 C) 3 D) 4 E) km/saat hızla giden bir otobilin hızı m/s cinsinden nedir? A) 20 B) 30 C) 40 D) 50 E) kg kütleli bir cisim 5 m/s hızla hareket ediyor. Kinetik enerjisi Jul cinsinden nedir? A) 500 B) 1000 C) 2500 D) 3000 E)

34 kg kütleli bir cisim yerden 8 m yüksekte bulunuyor. Cismin potansiyel enerjisi jul cinsinden nedir? (g = 10 m/s 2 ) A) 4000 B) 2000 C) D) E) Esneklik katsayısı 1000 N/m olan bir yay 10 cm sıkıştırılıyor. Sahip olduğu potansiyel enerji nedir? A) 1 B) 10 C) 0,5 D) 25 E) Enerji birimi aşağıdakilerden hangisidir? A) watt B) jul C) newton D) kg.m E) m 2 /s

35 ÜNİTE 4 Dinamik Amaçlar Bu üniteyi çalıştıktan sonra, Newton'un hareket kanunlarını, serbest düşmeyi, eğik atışı, merkezkaç kuvvetini, momentum kavramlarını öğreneceksiniz. İçindekiler Giriş Birinci Hareket Kanunu İkinci Hareket Kanunu Üçüncü Hareket Kanunu Serbest Düşme Eğik Atış Eğrisel Hareket Momentum Özet Değerlendirme Soruları Öneriler Bu üniteyi çok iyi kavramanız gerekiyor. Bundan önceki üniteyi lütfen tekrarlayınız. Ünite sonundaki soruları yanıtlayınız. Ünite içindeki sorulara verdiğiniz karşılıklar doğru değilse ünitenin başına dönün ve bir kez daha okuyun.

36 1. GİRİŞ Bu ünitede kuvvetin, hız ve hareket halindeki cisimlerin yönleri üzerindeki etkileri tartışılacaktır. Dinamiğin temel kanunları üzerinde durulacaktır. Newton'un üç adet temel hareket kanunu incelenecektir. Bunlar, dinamiğin temelini teşkil ederler. Serbest düşen cisimlerin hareketi incelenecektir. Eğik atış, eğrisel hareket tasvir edilecektir. Ayrıca, hareket eden bir cismin; kütlesi, hızı ve momentumu arasındaki ilişki ortaya konulacaktır. 2. BİRİNCİ HAREKET KANUNU Bir otomobilde gitmektesiniz. Sürücü aniden frene basıyor. Vücudunuz hareket etmek isteyecektir. Hareketli bir cismi harekete devam ettirmeye çalışan etkiye atalet adı veriyoruz. Yukarıdaki örnekte otomobil durmaya başlasa bile, atalet yüzünden vücudunuz hareketini devam ettirecektir. Emniyet kemerinizin çekmesi sebebiyle vücudunuz ileri doğru hareketten alıkonacaktır. Şayet emniyet kemeriniz bağlı değilse yaralanabilirsiniz veya incinebilirsiniz. Vücudunuz ileri doğru hareketine devam etmek suretiyle sizde cama çarpabilirsiniz. Atalet aynı zamanda duran bir cismin hareketsiz kalma eğilimidir. Hareketsiz halde duran bir cisim üzerine bir kuvvet uygulanmadığı sürece hareketsiz kalacaktır. Newton ( ), cisimlerin nasıl hareket edeceklerini açıklayan üç adet kanun ifade etmiştir. Buna göre birinci kanun şöyle ifade edilebilir: Hareket halindeki bir cisim veya durmakta olan bir cisim, üzerine herhangi bir kuvvet uygulanmazsa durumunu aynen koruyacaktır. Yani, duran bir cisim durmaya devam edecektir. Hareketi başlatmak veya durdurmak için bir kuvvet gerekecektir. Hareket halindeki bir cisim bu halini korumak isteyecektir.hareket halindeki bir cismin hızını veya yönünü değiştirmek için bir kuvvet gereklidir. Örneğin, hareket halindeki bir otobüste ayakta gidiyorsunuz. Otobüsün aniden durduğunu kabul edelim. Hareketsiz halde duran vücudunuz öne doğru fırlayacaktır. Duran bir otobüsün aniden harekete geçtiğini düşünelim. Şimdi de vücudunuz arkaya doğru yıkılacaktır. Bu iki durum, birinci hareket kanunun doğal bir sonucudur. 3. İKİNCİ HAREKET KANUNU Yerde duran bir futbol topuna tekme atınız. Top'un kısa mesafede yerden ayrılmadığını düşünürsek, öne doğru ivmelenecektir. Top'un kazanacağı ivme, topun kütlesine ve topa

37 uygulanan kuvvete bağlı olacaktır. Topa ne kadar kuvvetli vurursanız, top o derece hızlı hareket edecektir. Bir futbol maçında kale atışı yapan bir oyuncu, ne kadar kuvvetli vurursa vursun topu santra çizgisinden çok uzağa atamaz. Aynı şeyi bir çocuğa yaptırın. Onun atışı 10 m yi geçemez. Newton'un ikinci hareket kanunu şöyle ifade edilir: Bir cismin ivmesi, o cisme tatbik edilen kuvvetin şiddeti arttıkça, artış gösterir. Yani, cismin kütlesi arttıkça o cismi ivmelendirmek için daha büyük bir kuvvete ihtiyaç duyulur. Denklem olarak, Newton'un ikinci kanunu: Kuvvet = Kütle x İvme F= ma olarak yazılabilir. Kuvvet birimi newton olup, şu şekilde ifade edilir: Bir kilogramlık bir kütleye, bir metre bölü saniye karelik ivme kazandıran kuvvete bir newton'dur denilir. F = ma F = 1 kg x 1 m/s 2 = 1 N? Kütlesi 0,5 kg. olan bir top, 50N'luk bir kuvvetle fırlatılıyor. Topun kazanacağı ivme nedir? F = ma a= F m = 50 N 0,5 = 100 m / s 2 4. ÜÇÜNCÜ HAREKET KANUNU Oturduğunuz masanın üstüne mümkün olduğu kadar kuvvetlice bastırınız. Hatta istiyorsanız bir yumruk atınız. Elinizin ağrıdığını hissedeceksiniz. Burada, atılan yumruk bir etkiyi, elinizin ağrıması ise tepkiyi göstermektedir. Newton'un üçüncü kanunu şöyle ifade edilebilir: Her bir etki kuvvetine karşı eşit ve zıt

38 yönde bir tepki kuvveti vardır. Herhangi bir cisme bir kuvvet etki ederse, eşit ve zıt yönde bir tepki kuvveti meydana gelir. Şimdi buna ait bazı örnekler verelim. Duran bir kayıktan bir adam kıyıya atlıyor. Kayık ise öne doğru fırlıyor. Adamın atlarken uyguladığı kuvvet etki, kayığın öne fırlaması ise tepkidir. Tavana bağlı bir ipe bir ağırlık asalım. Ağırlık etkiyi, ipteki gerilme kuvveti ise tepkiyi temsil eder. 5. SERBEST DÜŞME On katlı bir binanın tepesinden bir ping-pong topu ile bir futbol topunu aynı anda serbest bırakalım. Hangi top aşağıya ilk önce düşer? Çoğu kimse, daha ağır olan futbol topunun ilk önce düşeceğini sanır. Ancak, bu durum hiçte böyle değildir. Hava sürtünmesini gözönüne almazsak her iki topta aynı anda yere düşerler. İtalyan fizikçisi Galileo ( ), düşen cisimlerin aynı anda yere düşeceğini öngörmüştür. Yaptığı bir seri deneyler sonucunda, düşen cisimlerin kütlelerine bakılmaksızın aynı hız değişimine tabi olduklarını bulmuştur. Yeryüzüne yakın yerlerde, düşen cisimler 9,8 m/s 2 lik bir ivme ile hareket ederler. Bunun anlamı şudur: İlk saniye içinde düşen cisim 9,8 m/s'lik bir hıza kavuşur. İkinci saniye sonunda ise 2x9,8 = 19,6 m/s lik hıza erişir. Yerçekimi ivmesini g =9,8 m/s 2 ile gösterirsek, serbest düşen ilk hızsız bir cismin aldığı yolu; d = 1 g t 2 2 ile gösterebiliriz. Hava sürtünmesi etkisiyle karşı yönde bir hava direnç kuvveti oluşur. Yerçekimi kuvvetiyle bu kuvvetin eşit olduğu anda, düşen cismin hızı sabit hale gelir. İşte bu sabit kuvvete limit hız adı verilir. Buna örnek olarak, uçaktan atlayan bir paraşütçünün, paraşütünün açılmasından bir müddet sonra sabit bir hızla yavaş yavaş yere doğru süzülmesini gösterebiliriz

39 6. EĞİK ATIŞ Yatay doğrultuda sabit hızla hareket eden bir cismin hareketini düşünelim. Bunun yanında, az önce incelediğimiz serbest düşme hareketini de unutmayalım. Bu iki hareketin bileşkesine yani birarada bulunmasına eğik atış diyoruz. Örneğin, yerde duran bir futbol topuna bir futbolcunun vurduğunu varsayalım. Top yatayla belli bir açı yaparak havaya yükselir. Daha sonra kavisli bir yol çizerek yere düşer (Şekil. 1). y A Vx = sabit 0 cc Şekil 1. Eğik atış hareketi.. B x Eğik atış hareketinde AB yolunu t anında kateden top, AC serbest düşmesini de aynı t anında tamamlayacaktır. Pratikte, bir hedefe doğru atılan ok, mermi veya top güllesi doğrudan hedefe nişanlanamaz. Bunun yerine havaya doğru belli bir açı ile atılıp yükselmesi ve daha sonra hedefe doğru düşmesi sağlanır. Uçaktan bir hedefe atılan bir bomba içinde pilot gerekli önlemi almak zorundadır. 7. EĞRİSEL HAREKET Hızla kavisli bir yola giren otomobilde iseniz ne tür bir kuvvet hissediyorsunuz? Vücudunuz yana doğru kayabilir. Sanki arabadan dışarı doğru itiliyormuşsunuz gibi hissedebilirsiniz. Bir cismi dairesel bir yörüngede hareket ettirebilmek için bir kuvvet gereklidir. Bu kuvvete, merkezcil kuvvet yani merkeze doğru yönelmiş bir kuvvet denir. Bu kuvvet dairenin merkezine doğru yöneliktir. Kavisli bir yola girilince, otomobil lastikleri merkezcil kuvvet sebebiyle içeri doğru çekilir. Otomobil kavisli yola çok hızlı girerse atalet sebebiyle, dışarı doğru fırlatılır. Trafik güvenliği açısından kavisli yollar eğimli olarak yapılırlar. Böylece lastik ve yol arasında sürtünme artar. Kavisli yola giren otomobil yinede belirtilen hız kısıtlamasına uymak zorundadır

40 8. MOMENTUM Hareket halindeki her cismin momentum adı verilen bir özelliği vardır. Momentum miktarı, hıza ve cismin kütlesine bağlıdır. Hızı artan bir cismin momentumu da artış gösterir. Aynı hızla hareket eden bir otomobil ile bir kamyonun momentumları, bunların kütlelerinin farklı olması sebebiyle aynı değildir. Kütlesi büyük olan kamyonun momentumu daha büyüktür. Hareket eden bir cisim hızını değiştirirse momentum kazanır veya kaybeder. Momentumun korunumu ilkesine göre, momentum ne yaratılabilir ne de yok edilebilir. Bir cisim momentum kaybederse başka birisi onu kazanmış olur. Şayet bir cisim momentum kazanırsa, başka birisi onu kaybetmiş olur. Momentumun korunumu ilkesi çarpışma olaylarında daima korunan bir niceliktir. Çarpışma, elastik (esnek) veyahut esnek olmayan üzere ikiye ayrılır. Momentumun korunumu her ikisinde de geçerlidir. Özet Atalet, duran bir cismin durması veyahut hareket halindeki bir cismin hareketini muhafaza etmesi temayülüdür. Bir cismi harekete geçirmek veya durdurmak için bir kuvvet gereklidir. Hareketin hızını veya yönünü değiştirmek için yine bir kuvvet gereklidir. Hız artışı veya azaltması cismin kütlesine ve uygulanan kuvvete bağlıdır. Her bir etki için eşit ve zıt yönde bir tepki kuvveti vardır. Atılan ve fırlatılan cisimler havada eğik atış hareketi yaparlar. Bu hareket yatay ve düşey hareketlerin bir bileşkesidir. Bir eğri boyunca hareket eden bir cismi merkeze doğru çeken bir merkezcil kuvvet vardır. Hareket halindeki herbir cismin momentumu vardır. Momentum, cismin kütlesiyle hızına bağlıdır

41 Değerlendirme Soruları N luk bir kuvvetle yatay bir düzlemde çekilen 50 kg lık bir blok hangi ivmeyle (m/s 2 ) hareket eder? A) 3 B) 4 C) 5 D) 6 E) kg lık bir sandık, 2 m/s 2 lik bir ivmeyle sürükleniyor. Sandığa uygulanan kuvvet newton olarak nedir? A) 60 B) 120 C) 150 D) 200 E) Yüksekçe bir yerden ilk hızsız bırakılan bir top 5 saniyede ne kadar yol alır? (g= 10 m/s 2 alınız) A) 125 B) 250 C) 25 D) 12,5 E) m. yüksekten ilk hızsız bırakılan bir taş yere ne kadar sürede düşer? (g= 10 m/s 2 ) A) 5 B) 10 C) 15 D) 20 E) 2, km/saat hızla ilerleyen 1000 kg kütleli bir otomobilin momentumu (kg m/s) olarak nedir? A) B) C) D) E) Newton'un ikinci kanununa göre, bir cismin ivmesi uygulanan kuvvetin şiddeti arttıkça: A) azalır B) aynı kalır C) sıfır olur D) artar E) birşey söylenemez