İş, enerji ve güç — Fizik

Bu derste öğreneceklerin

Mekanik işi kuvvet ve yer değiştirmeden hesaplamak
Kinetik ve potansiyel enerjiyi bulmak
Enerjinin korunumu ilkesini problemlere uygulamak
Gücü hesaplamak ve watt'ın anlamını açıklamak

Elvin ağır bir çantayı merdivenle üçüncü kata çıkarıyor, komşusu ise aynı çantayı asansörle çıkarıyor. İkisi de aynı işi yapıyor ama asansör bunu daha çabuk yapıyor. Fizikte bu farkı iş, enerji ve güç kavramları tam olarak açıklar.

Mekanik iş

Bir kuvvet bir cismi kendi doğrultusunda hareket ettirdiğinde mekanik iş yapılır. İş, kuvvet ile yer değiştirmenin çarpımına eşittir. İşin birimi joule'dür (J): 1 J = 1 N · 1 m.

W = F · s

burada:

Fhareket yönündeki kuvvet, N cinsinden
syer değiştirme, m cinsinden

W — yapılan iş, joule (J) cinsinden

Örnek 1: çantayı rafa kaldırmak

10 kg kütleli bir çanta yerden 1,5 m yükseklikteki rafa sabit hızla kaldırılıyor. Ne kadar iş yapılır? (g = 10 N/kg)

Çözümü göster

Gereken kuvvet yer çekimi kuvvetine eşittir: F = m · g = 10 · 10 = 100 N.
W = F · s = 100 N · 1,5 m = 150 J.

Kinetik ve potansiyel enerji

Tanım

Enerji

Bir cismin iş yapabilme yeteneğini gösteren fiziksel büyüklük. Enerji de iş gibi joule ile ölçülür.

Ek = m · v² / 2Ek = m · v² / 2

burada:

Ekkinetik enerji — hareket enerjisi, J cinsinden
mkütle, kg cinsinden
vsürat, m/s cinsinden

Ep = m · g · h

burada:

Epyerden h yükseklikteki cismin potansiyel enerjisi, J cinsinden
hyükseklik, m cinsinden

Örnek 2: top

0,5 kg kütleli bir top 4 m/s süratle yuvarlanıyor. Kinetik enerjisi nedir? Aynı top 2 m yüksekliğindeki bir dolabın üstünde dursaydı potansiyel enerjisi ne olurdu? (g = 10 N/kg)

Çözümü göster

Ek = m · v² / 2 = 0,5 · 4² / 2 = 0,5 · 16 / 2 = 4 J.
Ep = m · g · h = 0,5 · 10 · 2 = 10 J.
Yani dolabın üstündeki top, yuvarlanan toptan daha fazla enerjiye sahiptir.

Enerjinin korunumu

Enerji yoktan var edilemez ve yok edilemez; yalnızca bir türden başka bir türe dönüşür ya da bir cisimden diğerine aktarılır. Düşen bir elmanın potansiyel enerjisi kinetik enerjiye dönüşür. Sürtünme yoksa toplam mekanik enerji Ek + Ep sabit kalır; sürtünme varsa bir kısmı iç enerjiye, yani ısıya dönüşür.

Örnek 3: düşen elma

0,2 kg kütleli bir elma 5 m yükseklikteki daldan düşüyor. Hava direnci ihmal edilirse elma yere hangi süratle ulaşır? (g = 10 N/kg)

Çözümü göster

Yukarıda: Ep = m · g · h = 0,2 · 10 · 5 = 10 J, Ek = 0.
Yere ulaştığında potansiyel enerjinin tamamı kinetik enerjiye dönüşür: m · v² / 2 = 10 J.
v² = 2 · 10 J / 0,2 kg = 100, yani v = 10 m/s.
Dikkat: sonuç kütleye bağlı değildir, v = √(2 · g · h).

Etkileşimli

Simülasyon yükleniyor…

Sarkacın en yüksek noktasında potansiyel enerji, en alçak noktasında ise kinetik enerji en büyüktür. Enerji biçim değiştirir ama toplamı değişmez.

Güç

Güç, işin ne kadar çabuk yapıldığını gösterir: birim zamanda yapılan işe eşittir. Gücün birimi watt'tır (W): 1 W = 1 J/s. Makinelerin gücü çoğu zaman kilowatt (kW) ile verilir.

P = W / tP = W / t

burada:

tişin yapıldığı süre, s cinsinden

P — güç, watt (W) cinsinden; W — yapılan iş, J cinsinden

Örnek 4: merdiven ve asansör

60 kg kütleli Elvin merdivenle 6 m yüksekliğe 12 s'de çıkıyor. Yaptığı işi ve gücünü bul. Asansör onu aynı yüksekliğe 6 s'de çıkarsaydı asansörün gücü ne olurdu? (g = 10 N/kg)

Çözümü göster

W = m · g · h = 60 · 10 · 6 = 3600 J.
Elvin'in gücü: P = W / t = 3600 J / 12 s = 300 W.
Asansörün gücü: P = 3600 J / 6 s = 600 W; aynı iş iki kat hızlı yapıldığı için güç iki kat büyüktür.

Önemli noktalar

Mekanik iş: W = F · s, birimi joule (1 J = 1 N · m). Yer değiştirme yoksa iş yapılmaz.
Kinetik enerji Ek = m · v² / 2, potansiyel enerji Ep = m · g · h.
Enerji yoktan var edilemez, yok edilemez; yalnızca bir türden diğerine dönüşür.
Güç P = W / t, birimi watt (1 W = 1 J/s).

Kendini test et

10 soru. Her doğru cevap XP kazandırır.

1 / 10

SI'de işin birimi nedir?