İş ve Enerji GİRİŞ Sabit kuvvetlerin yaptığı iş İki Vektörün Çarpımı

... konulu sunumlar: "İş ve Enerji GİRİŞ Sabit kuvvetlerin yaptığı iş İki Vektörün Çarpımı"— Sunum transkripti:

1 İş ve Enerji GİRİŞ Sabit kuvvetlerin yaptığı iş İki Vektörün Çarpımı
Değişken Bir kuvvetin Yaptığı İş İş ve Kinetik Enerji Güç Enerji ve Otomobil Rölativistik Enerji

2 Sabit Kuvvetin Yaptığı İş
Enerji: Bir cismin iş yapma yeteneği olarak bilinir. F Sabit bir F kuvvetinin etkisi altında bir doğrusal yol boyunca hareket eden cismin yerdeğiştirmesi s dir. θ: F nin s ile yaptığı açı θ Fcos θ s Sabit kuvvet tarafından yapılan iş, kuvvetin yerdeğiştirme doğrultusundaki bileşeni ile yerdeğiştirmenin büyüklüğünün çarpımına eşittir. W=(Fcosθ)s (1) Sabit bir kuvvetin işi F kuvvetinin cisim üzerinde iş yapabilmesi için Cisim yerdeğiştirmeli Bir cisim hareket etmezse (s=0), cisim üzerinde kuvvetin yaptığı iş sıfırdır. 2. F nin s doğrultusundaki bileşeni sıfırdan farklı olmalıdır. İşin işareti F nin s ye göre yönüne bağlıdır. θ=900, cos900=0 F nin cos bileşeni s ile aynı yönde ise iş pozitiftir.

3 Sabit Kuvvetin Yaptığı İş
F W yı negatif yapan örnek, Bir cisim pürüzlü bir yüzey üzerinde kaydırıldığında sürtünme kuvvetinin yaptığı iştir. Sürtünme kuvveti f ile gösterildiğinde; kuvvet, kayan cisme bir s yerdeğiştirmesi yaptırılmışsa sürtünme kuvvetinin yaptığı iş θ f mg Wf = - f s (2) F kuvveti s boyunca ise W = F s (3) İş skaler bir niceliktir birimi kuvvet. uzunluk S.I Newton. Metre (N. m) Joule (J) c.g.s dyne.santimetre erg 1 J= 107 erg

4 Sabit Kuvvetin Yaptığı İş

5 Soru 4. Tuğla dolu bir el arabası, 18 kg lık bir toplam kütleye sahip olup bir halat yardımıyla sabit hızla çekilmektedir. Halat, yatayın üzerinde 200 açıda ve araba yatay düzlemde hareket etmektedir. Yer ile el arabası arasındaki kinetik sürtünme katsayısı 0,5 dir. İpteki gerilme nedir? Araba 20m hareket ettiği zaman halatın araba üzerinde yaptığı iş ne kadardır? (c) Sürtünme kuvvetinin yaptığı iş ne kadardır? N F θ f mg (a) (b)WF = Fdcosθ = (79.4N)(20m)cos200 = 1.49kJ (c) fk = F cosθ =79.4x cos20= 74.6 N Wf = fk d cosθ = (74.6 N) (20m) cos 180 0= kJ

6 Soru N luk yatay bir kuvvet, 40 kg lık bir kutuyu pürüzlü, yatay bir yüzeyde 6m uzaklığa itmek için kullanılmaktadır. Kutu sabit hızla hareket ederse 150N’luk kuvvetin yaptığı işi sürtünme kuvvetinin Kinetik sürtünme katsayısını bulunuz. W=(150N) (6m)= 900 J sabit süratte Wnet=0 veya Wf = Wuy = -900J Wf= f s cos θ = µ m g s cos 1800

7 İki vektörün Skaler Çarpımı
A ve B gibi iki vektörün skaler çarpımı, skaler bir nicelik olup, bu iki vektörün büyüklükleri ile arasındaki açının kosinüsünün çarpımına eşittir. A ve B nin skaler (veya nokta) çarpımı A .B = A. B. cosθ (7.4) burada θ: A ile B arasındaki açı A: A nın büyüklüğü B: B nin büyüklüğü A ve B nin birimleri farklı olabilir. B.cosθ B nin A üzerindeki izdüşümü A.B A nın büyüklüğüyle, B nin A üzerindeki izdüşümü ile çarpımı (7.4) eşitliği yerdeğiştirebilir (komutatif) A.B = B.A (7.5) B A.B=A.B cosθ θ A B. Cosθ

8 İki vektörün Skaler Çarpımı
Skaler çarpım, çarpmanın dağılma özelliğine uyar. (B+C) = A.B + A.C (7.6) i, j ve k birim vektörleri, bir sağ koordinat sisteminin sırasıyla pozitif x, y ve z eksenlerinde yer alır. k.k=1 (7.7a) i.k= (7.7b) olur. A ve B vektörleri, bileşenleri cinsinden A = Axi + Ayj+ Azk B=Bxi +Byj +Bzk (7.8) olarak ifade edilir. A ve B skaler çarpımı A.B = AxBx + AyBy+ AzBz ifadesine indirger. A=B özel durumunda A . A = Ax2 + Ay2 + Az2 = A2 olur. A.B=0 (θ=900) A.B=A.B (θ=0) A.B=-A.B (θ=1800) 900< θ<1800 olduğunda skaler çarpım negatiftir.

9 Örnek 7.2 Skaler Çarpım A and B vektörleri A=2i+3j ve B=-i+2j olarak veriliyor. A.B skaler çarpımını bulunuz. A ve B arasındaki θ açısını bulunuz. a) A.B= (2i+3j). (-i+2j) = -2i.i + 2i.2j - 3j.i + 3j.2j = -2+6=4 b) A .B = A. B. Cosθ den Örnek 7.3 Sabit bir kuvvet tarafından yapılan iş xy-düzleminde hareket eden bir parçacık F=(5i+2j) N luk sabit bir kuvvetin etkisi ile d=(2i+3j)m lik yerdeğiştirme yapıyor. Yerdeğiştirme ve kuvvetin büyüklüklerini hesaplayınız. F tarafından yapılan işi hesaplayınız.

10 Soru 12. A=3i+j-k, B=-i+2j+5k ve C=2j-3k olarak verilen üç vektör için C.(A-B) yi bulunuz.
Soru 13. Skaler çarpımın tanımını kullanarak, aşağıdaki vektör çiftleri arasındaki açıları bulunuz. Ödev a) =3i-2j ve, = 4i-4j Ödev b) =-2i+4j ve =3i-4j+2k c) =i-2j+2k ve, = 3j+ 4k c) θ=82,30 Soru 14. y Şekildeki vektörlerin skaler çarpımını bulunuz. 1180 İki vektör arasında açı bulunur. θ= = α= =420 x 1320 Ф Ф =90-70=200 F.v= FvcosФ=5.33N.m/s 32,8N 17,3cm/s

11 DEĞİŞKEN BİR KUVVETİN YAPTIĞI İŞ BİR-BOYUTLU DURUM
Fx Değişken bir kuvvetin etkisi altında ve x-ekseni boyunca x=xi den x=xs ye bir cisim yerdeğiştiriyor. Burada kuvvetin yaptığı iş, sadece F büyüklük ve yönce sabit olduğunda W=(F cosθ)s (a) xi xj Δx Şekila kullanılır. Fakat, cisim Şekil a da tanımlanan küçük bir Δx yerdeğiştirmesi yaptığında kuvvetin x bileşeni (Fx) bu aralıkta yaklaşık olarak sabit olur. Bu durumda bu küçük yerdeğiştirme için kuvvetin yaptığı iş ΔW=FxΔx olarak ifade edilir. Bu, tam olarak Şekil a daki gölgeli dikdörtgenin alanıdır. Fx in x ile değişen eğrisini Şekil a daki gibi çok sayıda bu tip aralıklara bölündüğü düşünülürse, xi den xs ye olan yerdeğiştirme için yapılan toplam iş, yaklaşık olarak çok sayıdaki bu terimlerin toplamına eşit olur: Fx (b) iş xi xj

12 DEĞİŞKEN BİR KUVVETİN YAPTIĞI İŞ BİR-BOYUTLU DURUM
Yerdeğiştirmeler sıfıra yaklaştırılırsa, toplamdaki terimlerin sayısı sonsuza gider. Fakat toplamın değeri, Fx ile x ekseninin sınırladığı gerçek alana eşit ve sonlu bir değere yaklaşır. Matematikte, bu toplamın limitine integral denir ve (7.8) ile gösterilir. İntegraldeki x=xi den x=xs ye kadar olan sınırlar, integralin belirli integral olduğunu gösterir. Bu belirli integral, sayısal olarak xi ile xs arasındaki x’e karşı Fx eğrisi altındaki alana eşittir. Dolayısıyla, cismin xi den xs ye yerdeğiştirmesi halinde Fx in yaptığı iş olarak ifade edilir. Fx=Fcosθ sabit olduğunda, bu eşitlik (1) denklemine indirgenir. (7.9)

13 DEĞİŞKEN BİR KUVVETİN YAPTIĞI İŞ BİR-BOYUTLU DURUM
Cisim üzerine birden fazla kuvvet etkirse, yapılan toplam iş, tam olarak bileşke kuvvetin yaptığı iştir. x doğrultusundaki bileşke kuvvetin olarak ifade edersek, cismin xi den xs ye hareket etmesi halinde yapılan net iş (7.10) olur. Soru N luk bir kuvvet bir cisme etki ederek onu orjinden x yönünde x=5m noktasına hreket ettiriyor. Kuvvetin cisme yaptığı işi bulunuz.

14 Soru g lık bir mermi, 0.6m uzunluğunda bir namluya sahip tüfekten ateşleniyor. Başlangıç noktası merminin harekete başladığı yer kabul edildiğinde, gazın genleşmesiyle mermiye uygulanan kuvvet (Newton olarak) x-25000x2 dir. Burada x metre birimindedir. Mermi namlu uzunluğu boyunca giderken gazın mermi üzerine yaptığı işi bulunuz. Namlu 1m uzunluğunda ise ne kadarlık iş yapılır ve bu değeri(a) şıkkında hesaplanan işle kıyaslayınız. b) Aynı şekilde W=11,7kJ %29.6 daha büyük

15 BİR YAYIN YAPTIĞI İŞ Kuvvetin konumla değiştiği genel bir fiziksel sistemdir. s Pürüzsüz, yatay bir yüzey üzerindeki bir cisim, sarmal bir yayla denge konumundan gerilir ve sıkıştırılırsa Fs=-kx (7.11) Hooke Kanunu ile verilen kuvvet uygular. x: Cismin gerilmemiş (x=0) konumuna göre yerdeğiştirmesi k:yayın kuvvet sabiti olan pozitif bir sabit s Xm Hooke kanunu sadece küçük yerdeğiştirmeler durumunda geçerli k yayın sertliğinin bir ölçüsü sert yay- k değeri büyük yumuşak yay- k değeri küçük Eşitlik (7.11) deki eksi işaret yayın etkidiği kuvvetin daima yerdeğiştirme ile zıt yönlü olduğunu ifade eder. s x = xf - xi = 3 Fs = - 3k -Xm Kuvvetin konumla değiştiği genel fiziksel sistem.

16 BİR YAYIN YAPTIĞI İŞ Yay kuvveti daima denge konumuna doğru etkidiği için geri çağrıcı kuvvet Şekildeki, xi = -xm den xs=O a hareket ederken yay kuvvetinin yaptığı iş Yay kuvveti yerdeğiştirme ile aynı yönlü olduğu için (herikisi de sağa doğru) yapılan iş pozitiftir. xi=0 ve xs=xm ye geren bir dış etkenin yaptığı bir dış etkinin yaptığı işi inceleyelim. Bu iş, uygulanan kuvvetle Fuy, Fs yay kuvvetinin eşit ve zıt yönlü olduğuna dikkat ederek hesaplanır. Fuy = -(-kx) = kx Kullanılarak dış kuvvetin yaptığı iş

17 BİR YAYIN YAPTIĞI İŞ x e karşı Fs nin grafiği, kütle x=xi den x=xs ye keyfi bir yerdeğiştirme yaparsa, yay kuvvetinin yaptığı iş Alan=1/2kxm2 Fx kxm x xm Fx=-kx xi=-xm den xs=0 ye giderken yay kuvvetinin yaptığı net iş sıfır

18 Kinetik Enerji ve İş-Kinetik Enerji Teoremi
Sabit net bir ΣF kuvvetinin etkisi altında sağa doğru hareket eden m kütleli bir parçacığı göstermektedir. Kuvvet sabit olduğu için Newtonun ikinci yasasına göre parçacığın sabit bir a ivmesiyle hareket edeceğini biliyoruz. Parçacık bir d uzaklığı kadar yerdeğiştirmişse toplam ΣF kuvvetinin yaptığı iş ΣF m d vi vs (7.12) olur. Bir parçacık sabit ivme ile gittiğinde aşağıdaki bağıntılar geçerli olur. Burada vi, t=0 daki sürat ve vs t anındaki sürattir. Bu ifadelerle iş (7.13) elde edilir.

19 Kinetik Enerji ve İş-Kinetik Enerji Teoremi
niceliği parçacığın hareketiyle ilgili enerjiyi temsil eder. Bu nicelik kinetik enerjidir. Bir parçacığa etkileyen net sabit bir kuvveti tarafından parçacık üzerinde yapılan iş onun kinetik enerjisindeki değişime eşittir. Genel olarak bir v süratiyle hareket eden m kütleli bir parçacığın K kinetik enerjisi: (7.14) olarak tanımlanır. Kinetik enerji skaler bir nicelik olup, iş ile aynı birime sahiptir. Örnek: 4 m/s lik süratle giden 2kg lık bir kütlenin 16J lük bir kinetik enerjisi vardır. Genellikle, eşitlik7.13 (7.15) ile verilir. İş-Enerji teoremidir olarak verilebilir.

20 Tablo 1 Çeşitli cisimler için Kinetik enerjiler
Cisim Kütle (kg) Sürat(m/s) Kinetik enerji(J) Güneş etrafında dönen dünya ,89x ,98x ,65 x1033 Dünyanın etrafında dönen ay ,35x ,02x ,82x1028 Kurtulma hızında hareket eden roket ,12x ,14x1010 10 m den düşen taş ,8x101 Havadaki bir oksijen molekülü ,3x ,6x10-21

21 GÜÇ, enerji aktarma hızıdır.
Uygulamada sadece cisim üzerinde yapılan işi bilmek ilginç değildir. Aynı zamanda işin yapıldığı süreye oranı da bilmek gerekir. GÜÇ, enerji aktarma hızıdır. Bir cisme bir dış kuvvet uygulandığında, t zaman aralığında bu kuvvetin yaptığı iş W ise, bu süredeki ortalama güç yapılan işin zaman aralığına oranı olarak tanımlanır: İş-Enerji teoremine göre, cisim üzerinde yapılan bir iş cismin enerjisini arttırır. Bu yüzden güç. zaman içinde enerji aktarma hızıdır. Δt sıfıra yaklaşırken, ortalama gücün limit değeridir:

22 ds yerdeğiştirmesi yaptıran F kuvvetinin yaptığı iş kullanılarak
olarak ifade ederiz. Burada tanımını kullandık. SI birim sisteminde güç birimi J/s dir. Bu birim ayrıca Watt(W) olarak adlandırılır (James Watt onuruna) 1 W= 1 J/s = 1 kg.m2 / s2 SI birim sisteminde güç birimi J/s dir. Watt’ın sembolü, iş için kullanılan sembolle karıştırılmamalıdır.

23 Güç birimini kullanarak, enerji veya iş için yeni bir birim tanımlayabiliriz.
Kilowatt.saat 1 kilowatt.saat, 1 saatte sabit hızla 1kW’lık tüketen veya dönüştüren enerji miktarıdır. 1 kilowatt.saat’in sayısal değeri , 1kWh= (103W).(3600s)= 3.6x 106 W.s = 3.6x 106 J 1 kilowatt.saat güç birimi değil, enerji birimidir. Elektrik faturanızı öderken enerji satın alıyorsunuz. Kullanılan enerji miktarı genellikle kWh olarak ifade edilir. Örneğin 100W lık bir elektrik ampulü 1 saatte 3.6x 105 J lük bir enerji tüketir.

24

25 İngilizcesi horse power olduğundan, uzantısı hp şeklinde yazılır.
Örneğin bir otomobilin gücü hem kW hem de hp (beygir gücü) ile ifade edilir. Beygir gücü, genellikle otomobil ve elektrik motorlarının güçlerinin belirlenmesi için kullanılan güç birimidir. Terim, buhar makinelerinin üretilmeye başlandığı yıllarda, bu makinelerin güçlerinin olası alıcılar tarafından kolayca anlaşılabilmesi için James Watt tarafından yapılmıştır, İngilizcesi horse power olduğundan, uzantısı hp şeklinde yazılır. Kilowatt beygir gücü oranları 1 kilowatt kaç beygir gücü eder? hp yapar. 1 beygir gücü kaç kilowatt eder? kw yapar. 160 beygir gücü olan bir araba kaç kilowatt enerji üretir? 160 x 0.745 = kw 1400 kilowattlık bir motorun beygir gücü ne kadardır? 1400 x 1.341 = hp Beygir Gücü, en temel şekilde anlatırsak; 75 kg ağırlığındaki bir yükün 1 saniyede 1 metre hareket ettirilmesi için gerekli olan güç miktarına denir.  Aslında, gerçek bir beygirin ya da atın, 1 saniyede 1 metre ileriye taşıdığı yük miktarı, ortalamada yaklaşık 50 kg’dır. Ancak motorların gücü simge edilirken, nedense mühendisler bu ağırlığı 75 kg olarak tanımlamışlardır.

26 Örnek: 4 kg lık bir parçacık x-ekseni boyunca hareket etmektedir
Örnek: 4 kg lık bir parçacık x-ekseni boyunca hareket etmektedir. Konumu x=t+2t3 e göre değişmektedir. Burada x metre, t saniye cinsindendir. Herhangi bir anda kinetik enerjiyi t anında parçacığın ivmesini ve üzerine etkiyen kuvveti t anında verilen gücü t=0 ile t=2s aralığında parçacık üzerine yapılan işi hesaplayınız. (a) (b) F=m.a = 4.(12t)= (48t) N (c) P = F.v = (48t).(1+6t2)= (48t +288t3) W (d)

27 Soru : Top fırlatıcı makina 1
Soru : Top fırlatıcı makina 1.2 N/cm lik kuvvet sabitli bir yaya sahiptir. Topun hareket ettiği yüzey yatayla 100 lik açı yapmaktadır. Başlangıçta yay 5 cm sıkıştırılırsa, piston serbest bırakıldığında 100g lık topun fırlatılma hızını bulunuz. Sürtünme ve pistonun kütlesi ihmal edilmektedir. v=1.682 m/s

28 Soru: 0.6 kg kütlelei bir blok yatayla 20o açı yapan sürtünmesiz bir eğik düzlemden aşağı doğru 6m kaymaktadır. Daha sonra olan pürüzlü yatay bir yüzeyde hareket etmektedir. Eğik düzlemin sonunda bloğun hızı nedir? Pürüzlü yüzeyde 1m gittikten sonra hızı nedir? Duruncaya kadar bu yatay düzlemde ne kadar yol alır? μk = 0.5