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.
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 - 10 -
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. - 11 -
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 - 12 -
? 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. - 13 -
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 - 14 -
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. - 15 -
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 1. 60 N ağırlığındaki bir bavul 0,5 m kaldırılıyor. Yapılan iş Jul cinsinden nedir? A) 30 B) 40 C) 50 D) 60 E) 120 2. 100 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) 500 3. Bir elektrik mikseri 21600 N m lik bir işi 3 dakikada yapmaktadır. Bu aletin gücü watt cinsinden nedir? A) 80 B) 100 C) 120 D) 140 E) 160-16 -
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) 50 9. 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 - 17 -