Hangi Durumda fl Yapar z?

Transkript

1 Anahtar Kavramlar ifl kinetik enerji çekim potansiyel enerji esneklik potansiyel enerji nşaat işçilerinin ağır iş yaptıkları herkesçe kabul edilmektedir. Peki, bir öğretmenin yaptığı iş konusunda ne söyleyebiliriz? Beyin gücüyle çalışmak da ağır iş sayılır mı? Oyun oynamak ve spor yapmak da birer iş midir? ş kelimesi, günlük hayatta kompozisyon yazmaktan tutalım da bahçe kazmaya kadar yapılan her bir hareket için kullanılabilmektedir. Peki, iş kelimesi hakkında siz ne düşünüyorsunuz? Hangi durumlarda iş yapılmış olur? s. 4. Etkinlik Gözlemleyelim, nceleyelim Hangi Durumda fl Yapar z? A r yükleri kald r rken destek ve hareket sistemimizin sa l na dikkat edelim. Bunlar Yapal m Etkinliği yapmak için sınıfımızdan bir arkadaşımızı seçelim. Bu arkadaşımız aşağıdaki işlemleri sırayla gerçeklefltirsin. Tahtanın önündeki boş okul çantasını, sınıfın arka duvarına kadar taşısın. Çantayı kitaplar ile doldurarak yerden kaldırsın ve öğretmen kürsüsünün üzerine bıraksın. Kitap dolu çantayı tahtanın önünden sınıfın arka duvarına kadar taşısın. Elleriyle sınıfın duvarını itsin. Sonuca Varalım Yukarıdaki dört adımdan hangisinde bir iş yapılm fl oldu? Aç klayal m. Araç-Gereçler Araç ve Gereçler okul çantası dört adet kitap ş yapılmayan adım var mı? Varsa hangi adımlar? Neden? Bir kuvvetin etkisiyle gerçeklefltirilen hareketlerin ifl say ld ve say lmad durumlara hayat m zdan ve çevremizden örnekler verelim. Kitap okuduğumuzda iş yapmış olur muyuz? 73

2 İş Nedir? Bilim insanlar ve mühendisler için işin özel bir tanımı vardır. Onlara göre, bir kuvvet, cismi, uygulandığı yönde hareket ettirebiliyorsa fiziksel anlamda iş yapıyor demektir. Örneğin, afla daki foto raflarda görüldü ü gibi kızağın kayd r lmas, domateslerin toplanması ve bisikletin sürülmesi birer ifltir s. Buzdolabına kuvvet uygulayarak onun yerini değiştirdiğimizde bir iş yapmış oluruz. Ancak aynı dolaba kuvvet uyguladığımız hâlde onun yerini değiştiremiyorsak yorulduğumuz hâlde bir iş yapmış sayılmayız. Buna göre yandaki foto rafta görülen ö rencinin hangi durumda iş yaptığını söyleyebiliriz? Yapılan işin büyüklüğü, cisme uygulanan kuvvetin büyüklüğüne ve cismin yer değiştirme mesafesine bağlıdır. nşaat ustası, afla da görülen birinci resimde yerden aldığı bir tuğlayı, ikinci resimde Ö renci kap y itiyor. Kap aç lm yor. Ö renci kap y çekiyor. Kap aç l yor. ise iki tuğlayı duvarın üstüne koymaktadır. Tuğlalar, her iki resimde de aynı yüksekliğe konulmaktadır. ki tuğla, bir tuğladan iki kat daha ağırdır. Dolayısıyla iki tuğlayı kaldırmak için uygulanan kuvvet, bir tuğlay kaldırmak için uygulanan kuvvetin iki katıdır. Bu sebeple yapılan iş de iki kat fazladır. 74 I. resim II. resim Kuvvet biriminin newton, yer de ifltirme biriminin de metre olduğunu ve newtonun kısaca N, metrenin de m ile gösterildiğini biliyoruz. şin birimi ise kuvvet ve yer de ifltirme birimlerine ba l olarak N.m dir. N.m ye özel olarak joule (jul) denir. 1 N luk bir kuvvet, bir cismi, 1 m lik bir yolda ve kuvvet yönünde hareket ettirirse 1 J lük iş yapm fl olur. 1 N luk bir kuvvet, bir cismi, 2 m hareket ettirirse 2 J lük iş yapmış olur. Yukar da anlatt klar m zla kuvvet, yer değiştirme ve iş arasındaki ilişkiyi anlayabildik mi?

3 Kuvvet ve Hareket Kitapları alıp rafa yerleştiren öğrencinin fiziksel anlamda bir iş yapmış olduğunu söyleyebiliriz. Oysa ki aynı öğrenci kitapları omzuna koyarak başka bir noktaya taşıdığında yer çekimi kuvvetine karfl bir iş yapmış olmaz. Çünkü taşıma sırasında kitaplara uygulanan kuvvetin yönü düşey, gerçekleşen hareketin yönü ise yataydır. Demek ki iş yapılabilmesi için cisme uygulanan kuvvetin hareketle aynı doğrultuda olması gerekir. Sonuç olarak şunu söyleyebiliriz ki cisme, hareket doğrultusuna dik olarak etki eden kuvvetle, fiziksel anlamda bir iş yap lmaz. Buna göre yüksekten bırakılan bir cismin yere düşmesiyle iş yapılmış olur mu? Cevabımız evet ise bu işin hangi kuvvet tarafından yapıldığını söyleyelim. Yandaki foto raflarda da görüldü ü gibi yerden aldığımız bir kitabı, kitaplığımızın ikinci rafına mı yoksa daha yüksekteki dördüncü rafına mı yerleştirdiğimizde daha çok iş yapmış oluruz? Enerji Nedir? Günlük konuşmalarımızda enerji kavramını sıkça kullanırız. Enerjimiz yetersiz., Enerji fiyatları gittikçe artıyor., Enerji tasarrufu yapmalıyız. vb. sözlerin hiç de yabancısı değiliz. Enerji denilince aklımıza ilk gelen elektrik, ışık, benzin, doğal gaz, kömür, ateş, Güneş, pil belki de baraj ve rüzgâr dır. Enerji, evrenin sahip olduğu en büyük zenginliktir. Bir iş yapabilmek için enerjiye ihtiyaç duyarız. Şehirlerimiz enerji sayesinde aydınlanır, trenler, arabalar, uçaklar ve roketler enerji sayesinde hareket eder. Evlerimizi ısıtmak, yemek pişirmek, radyoda müzik dinlemek, televizyonda görüntü oluşturmak için de enerji gereklidir. Bunların yanı sıra tarlaları süren traktörler ve fabrikalardaki makineler de enerji sayesinde iş görür s. Güneş ten gelen enerji etrafımızı aydınlatıp ısıtırken bitkilerin de kendi besinlerini üretmesini sa lar. Hayvanlar, ihtiyaç duydukları enerjiyi yedikleri besinlerde depolanmış olan enerjiden elde eder. Kısacası enerji olmadan hayat olmaz. Bütün bu açıklamalardan sonra enerji deyince ne anlıyorsunuz? Bilim insanlar enerjiyi iş yapabilme yeteneği olarak tanımlar. Enerji madde değil, maddeye ait bir özelliktir. Örneğin, benzinin sahip oldu u enerji do rudan kullan lmaz. Ancak motorda yandığında enerjiye dönüşür. Peki, hangi enerji türlerini biliyoruz? 75

4 Kinetik Enerji Sevgi ile Samet in en büyük zevkleri televizyonda yayımlanan belgeselleri izlemekti. Bugün okul dönüşünde televizyonu açtıklarında Büyük Kedilerin Günlüğü adlı belgeselin yay mlanmakta oldu unu gördüler. Heyecanla doğal ortamda yaşayan hayvanları konu alan bu belgeseli izlemeye başladılar. Bir ara çalıların arasına gizlenmiş çitanın hızla koşarak bir ceylanı kovaladığını gördüler. Birkaç dakika süren kovalamacadan sonra ceylan, çitaya yakalanmıştı. Sevgi Ne kadar yazık! Ceylan koflabildi i kadar h zl koflmas na ra men çitaya yem olmaktan kurtulamad dedi. Samet de Kaçınılmaz sonu hazırlayan, çitanın ceylandan daha fazla kinetik enerjiye sahip olmasıdır. diye cevap verdi. Acaba, Samet in sözünü etti i kinetik enerji nedir? Bir varl n kinetik enerjiye sahip oldu unu anlamak çok kolayd r. Eğer bir varlık, hareket ediyorsa kinetik enerjiye sahip demektir. Örneğin, hareket hâlinde olan bir kamyon, koşan bir köpek, hareketli dönme dolap, bir nehir ve rüzgâr kinetik enerjiye sahiptir. Siz de çevrenizdeki varlıklardan kinetik enerjiye sahip olan bazı örnekler söyleyebilir misiniz? Peki, Bir varlığın süratinin artması, o varlığın kinetik enerjisini de artırır. diyebilir miyiz? Bu sorunun cevab n verebilmek için afla daki etkinli i birlikte yapal m. 5. Etkinlik Sürat, Kütle ve Kinetik Enerji Gözlemleyelim, nceleyelim Bunlar Yapal m Önce, 1. şekildeki gibi, tahta levhay ve iki kitab kullanarak eğik bir düzlem oluşturalım. Oluşturduğumuz düzlemin önüne tahta takozu koyalım ve yerini iflaretleyelim. Oyuncak arabayı eğik düzlemin üst ucundan serbest bırakalım. Arabanın eğik düzlemin önündeki takoza çarpmasını gözlemleyelim. Çarpmadan sonra takozun ne kadar sürüklendiğini cetvelle ölçerek tespit edelim. Aynı işlemi tahta levhanın altına üç kitap koyarak tekrarlayalım ve takozun ne kadar sürüklendiğini belirlemek için cetvelle yeniden ölçelim. Üç kitapla oluşturduğumuz eğik düzlemdeki oyuncak araban n üzerine tafl koyal m ve takozun sürüklenme mesafesini ölçelim. Ölçümlerimizi defterimize kaydedelim. Sonuca Varalım Eğimin artması oyuncak arabanın süratini nas l etkiledi? Eğim art nca takozun sürüklenme mesafesi nas l de iflti? Sürat ile kinetik enerji arasındaki ilişki nedir? Oyuncak arabaya yüklenen tafl, takozun sürüklenme mesafesini nas l etkiledi? Kütle ile kinetik enerji arasındaki ilişki hakkında ne söyleyebiliriz? Araç-Gereçler Araç ve Gereçler dört ya da befl adet kitap ince tahta takoz oyuncak araba üç adet taş (oyuncak arabaya sığacak büyüklükte) 30 cm lik cetvel tahta levha 1. flekil 2. flekil 76

5 Kuvvet ve Hareket s. Bir varlığın sürati artıkça kinetik enerjisinin de arttığını biliyoruz. Peki, yandaki foto rafta görülen kamyon ve otomobil aynı süratle hareket ettiklerine göre kinetik enerjileri aynı mıdır? Sürat, Kütle ve Kinetik Enerji adl etkinlikte oyuncak arabaya eklenen tafl, araban n sürüklenme mesafesini neden artt rm fl olabilir? Aynı süratle hareket eden varlıklardan kütlesi büyük olanın kinetik enerjisi, kütlesi küçük olandan fazladır. Yandaki resimde görülen ve ayn süratle hareket eden kamyonun kütlesi otomobilden daha büyüktür. Öyleyse bu kamyonun kinetik enerjisi de ayn süratle hareket eden otomobile göre daha fazladır. Enerji, sadece hareketli varlıklarda mı söz konusudur? Bazı maddeler hareketli olmadıkları hâlde iş yapabilme yeteneğine sahiptir. Acaba bu maddeler iş yaparken hangi tür enerjiyi kullanır? Cisimlerin, konumlarından dolayı sahip olduklar bir çeşit enerji vardır. Bu enerjiye potansiyel enerji ad verilir. Afla daki resmi dikkatle inceleyelim. ki işçi, bir piyanoyu makara yardımıyla üçüncü kata çıkarıyorlar. şçiler, yedikleri gıdalardan sağladıkları enerji sayesinde bu piyanoyu kaldırabilirler. Yukarı kaldırıldığında piyanoda bir çeşit enerji depolanmış olur. Depolanan bu enerji çekim potansiyel enerjisi olarak adlandırılır. şçilerden biri makaranın ipini elinden b rak rsa diğer işçinin uygulad çekme kuvveti piyanoyu yukarıda tutmak için yeterli olmayabilir. Bu durumda piyano düşerek çekim potansiyel enerjisini kaybeder. Düşen piyano işçiyi yukarı çekerek bir iş yapmış olur. Acaba, çekim potansiyel enerjisini etkileyen değişkenler nelerdir? 77

6 6. Etkinlik Gözlemleyelim, nceleyelim Çekim Potansiyel Enerjisi Nelere Ba l d r? s s. Bunlar Yapal m Bir zemini ince kumla, 5-10 cm kalınlığa ulaşacak biçimde kaplayarak düz bir zemin oluşturalım. Bir basketbol topunu önce 50 cm, sonra 1,5 m yüksekten bırakarak topun kum üzerinde oluşturduğu etkiyi inceleyelim. Kumun yüzeyini düzelterek bir basketbol topunu ve bir plastik topu aynı yükseklikten (50 cm) sırayla bırakalım. Bunların kum üzerinde oluşturdukları etkileri inceleyelim. Sonuca Varalım Basketbol topunu farkl yüksekliklerden b rakmam z kum yüzeyinde nas l de ifliklikler meydana getirdi? Ayn yükseklikten b rak lan farkl a rl ktaki toplar kum yüzeyinde nas l de ifliklikler meydana getirdi? Yüksekliğin ve ağırlığın çekim potansiyel enerjisi üzerinde nasıl bir etkisi vardır? Araç-Gereçler Araç ve Gereçler basketbol topu plastik top ince kum metre Bir cismi yukarı kaldırdığımızda cisme etkiyen yer çekimi kuvvetini yenmek için cisme kuvvet uygulam fl ve bir iş yapmış oluruz. Yaptığımız bu iş, kaldırdığımız cisimde çekim potansiyel enerjisi olarak depolanır. Bir cismin ağırlığı ve yerden yüksekliği arttıkça çekim potansiyel enerjisi de artar. Bu yüzden basketbol topunu daha yüksekten bıraktığımızda kum üzerinde daha derin bir iz bırakır. Kinetik ve potansiyel enerjinin birbirine dönüşebildiğini biliyor musunuz? Bir ipin ucuna cisim bağlayarak oluşturduğumuz basit bir sarkaçta, bu durumu rahatlıkla gözlemleyebiliriz. mak. PE KE mak. PE KE mak. PE KE min. 1 min. 2 min. PE: Potansiyel enerji KE: Kinetik enerji 3 1 konumunda 1-2 arası 2 konumunda 2-3 arası 3 konumunda Cisim, yörüngenin en üstünde. Sürat sıfır. Cismin yüksekli i azal yor. Sürat gittikçe art yor. Cisim, yörüngenin en altında. Sürat en üst seviyede. Cismin yüksekli i artıyor.sürat azalıyor. Cisim, yörüngenin en üstünde. Sürat sıfır. enerjisi en üst seviyede. Kinetik enerji sıfır. enerjisi azal yor. Kinetik enerji art yor. enerjisi sıfır. Kinetik enerji en üst seviyede. enerjisi artıyor. Kinetik enerji azalıyor. enerjisi en üst seviyede. Kinetik enerji sıfır. 78

7 Kuvvet ve Hareket s. enerji azalıyor. Kinetik enerji artıyor. Hız treni aşağıya inerken çekim potansiyel enerji kinetik enerjiye dönüşür. Cisimlerin potansiyel enerjileri sadece onları yükse e çıkardığımızda mı artar? Kurmalı bir oyuncağın da potansiyel enerjiye sahip olabileceğini biliyor muydunuz? Yukar daki foto rafta da görüldü ü gibi baz kurmalı oyuncakların içinde bir yay bulunur. Bu yay kurularak oyuncağın hareket etme yeteneği kazanması sağlanır. Yani yayda potansiyel enerji depolanır. Yay boşalırken oyuncak hareket eder. Böylece yaydaki potansiyel enerji kinetik enerjiye dönüşmüş olur. Yayların (ya da daha genel olarak esnek cisimlerin) enerji depolama özelliğinden birçok alanda yararlan ld n fark ettiniz mi? Esnek cisimlerin s k flma ve gerilmesi sonucunda sahip olduklar enerjiye esneklik potansiyel enerji denir. Bofluna u rafl yorsun Çomar, köpekler uçamaz... 79

8 7. Etkinlik Gözlemleyelim, nceleyelim Esneklik Potansiyel Enerjisi Nelere Ba l d r? Sedef, çevresini sürekli gözlemleyen ve gözlem sonuçlarını derslerinde öğrendiği bilgilerle ilişkilendirebilen bir öğrencidir. Uzun süredir okçuluk sporuyla uğraşan Sedef, yay ve ok kullanarak yaptığı birçok atıştan sonra şöyle bir sonuca ulaşmıştır: Yay ne kadar çok gerilirse ok o kadar uzağa gider. Sedef in vardığı sonucun do rulu unu tespit etmek ve esneklik potansiyel enerjisinin nelere bağlı olduğunu anlayabilmek için bir deney yapalım. Bunlar Yapal m Kâğıt parçasını, katlayarak kalınlaştıralım. nce paket lastiğini işaret ve başparmaklarımızla gerelim. Kâğıt parçasını lastiğe tutturarak lastiği 10 cm kadar gerelim ve bırakalım. Kâğıt parçasının nereye düştüğünü gözlemleyelim. Araç-Gereçler Araç ve Gereçler ayn büyüklükte ince ve kal n paket lasti i kâ t parças cetvel Aynı işlemi lastiği 15 cm gererek tekrarlayalım ve kâğıt parçasının nereye düştüğünü gözlemleyelim. Yukarıdaki işlemleri kalın paket lastiği ile tekrarlayalım. Sonuca Varalım Lastiği daha fazla germemiz kâğıdın düştüğü yerin uzaklığını nasıl etkiledi? Kâğıt parçası, ince lastik ile mi yoksa kalın lastik ile mi daha uzağa f rlad? Yaptığımız etkinlikte de görüldüğü gibi esneklik potansiyel enerjisi, lastiğin cinsine ve gerilme miktarına göre değişmektedir. Bu durum sadece lastik için değil bütün esnek maddeler için geçerlidir s s. 80 S r kla atlama yapan bir sporcuyu düşünelim. Bu sporcu sırık ile koşarken kinetik enerjiye sahiptir. Yüksek atlama sırasında sırık esner ve sporcunun kinetik enerjisi, sırıkta esneklik potansiyel enerjisine dönüşür. Sırık ile yükselen sporcu potansiyel enerji kazanır. Mindere düşerken ise bu sporcunun potansiyel enerjisi azalırken kinetik enerjisi artar. Kinetik enerji ile mindere çarpan sporcu minderin şeklini değiştirir hatta çok az da olsa minderin s nmas n sa lar. lk aşamadan son aşamaya varıncaya kadar, sporcunun sahip oldu u enerji türü değişmiş fakat toplam enerji miktarı aynı kalmıştır. Buna enerjinin korunumu denir. Enerjinin korunumuna göre, enerji, bir türden başka bir türe dönüşebilir ancak hiçbir zaman yok olmaz.

9 Kuvvet ve Hareket Enerji Dönüşümleri şlerimizi yaparken farkl enerji türlerini kullan r z. Bunlar, kinetik enerji, potansiyel enerji, ısı enerjisi ve elektrik enerjisi şeklinde sıralanabilir. Kinetik ve potansiyel enerji, mekanik enerji olarak da adlandırılır. Yukarıda sıralanan enerji türleri çeşitli araçlar yardımıyla birbirine dönüştürülebilir. Enerjinin yok olmadan baflka tür enerjiye dönüflmesi insano luna büyük kolayl klar sa lar. Örne in ayd nlatma amac yla kulland m z ampul elektrik enerjisinin bir bölümünü fl k enerjisine, bir k sm n da s ya dönüfltürür. Yine elektrik enerjisi, bir vantilatörde hareket enerjisine, radyo da ise ses enerjisine dönüflür. Akü ve pillerde depolanan enerji, kullanım aşamasında elektrik enerjisine dönüşür. Kömürde depolanan enerji de yanma sırasında ısı enerjisine dönüşmektedir. Aşağıdaki resmi dikkatle inceleyerek enerji dönüşümüne örnek olabilecek etkinlikleri sıralayalım s. Kendimizi De erlendirelim Aşağıdaki soruların cevaplar n defterimize yazal m. 1. Aynı süratle gitmekte olan bisiklet ve otomobilden hangisinin kinetik enerjisi daha fazladır? 2. Yandaki flekilde görüldü ü gibi bir cisim belli bir yükseklikten yay üzerine bırakıl yor. Bu olayda top ve yay üzerinde hangi enerji dönüşümleri olur? 81