MADDESEL NOKTANIN KİNETİĞİ: İş - Enerji Buraya kadar, maddesel noktanın hareketinin incelenmesinde hareket denklemleri kullanılmıştır. Yani, kütle sabit olduğundan, önce dış kuvvetin cisme kazandırdığı ivme hesaplanmakta daha sonra kinematik denklemler kullanılarak yer değiştirme, hız vb. parametreler belirlenebiliyordu. Şimdi, hareket denklemi ile kinematik bağıntılar birleştirilerek yeni bir yöntem elde edilecektir. Gerçekten iş ve enerji yöntemi, kuvvet, hız ve yer değiştirme arasındaki ilişkileri doğrudan ortaya koyan oldukça kullanışlı bir yöntemdir. MADDESEL NOKTANIN KİNETİĞİ: İş - Enerji Bir kuvvetin işi: Mekanikte, bir kuvvet doğrultusu boyunca yer değiştirme meydana getirirse iş yapar. Şekilde, kuvveti etkisi altında, yörüngesi boyunca hareket etmekte olan partikülün pozisyonu vektörü ile tanımlanır. Partikülün yörüngesinde hareketi esnasında, pozisyonuna geldiğinde = − yer değiştirmesini yapar. nin büyüklüğü, yörünge üzerindeki diferansiyel parçası ile gösterilir. kuvveti ile arasındaki açı ise, F kuvvetinin yaptığı iş skaler büyüklük olarak, = = Diğer bir ifadeyle, işi yapan kuvvetin teğetsel bileşendir. Eğer kuvvet sabit bir noktaya etki etmekteyse, yer değiştirme oluşmayacağından yapılan iş sıfırdır. SI birim sisteminde, iş büyüklüğü dür. 'luk kuvvet, doğrultusu boyunca hareket ederse, 1 joule = lük iş yapmış olur. Görünüm olarak bir kuvvetin momentine benzemekte ise de her hangi bir benzerlik yoktur. Moment vektörel bir büyüklük iken iş skaler bir büyüklüktür. MADDESEL NOKTANIN KİNETİĞİ: İş - Enerji Değişken kuvvetin işi: Maddesel nokta, üzerinde hareket ettiği yörünge yer değiştirip den ye veya den ye yer değiştirme yaparsa, kuvvetinin yaptığı iş integrasyon ile belirlenir. Eğer, kuvvet yer değiştirmenin bir fonksiyonu = ( ) ise, = = kuvvetin iş yapan bileşeninin, yani değişkenine göre grafiği çizilirse, den altında kalan alana karşılık gelir. nın ye eğri MADDESEL NOKTANIN KİNETİĞİ: İş - Enerji Doğrusal bir hat boyunca sabit kuvvetin işi: İş yapan kuvvetin büyüklüğü sabit ve yörünge doğrusal bir hat ise, nin teğetsel bileşeni ve partikül den ye yer değiştirmişse yapılan iş, dikdörtgen alana eşittir. = = − MADDESEL NOKTANIN KİNETİĞİ: İş - Enerji Ağırlığın işi: Partikül yörüngesi üzerinde hareket etmekte iken yukarı doğru den ye yer değiştirmişse, herhangi bir anda pozisyonu, = + + şeklinde ifade edilebilir. Ağırlık =∫ =∫ =∫ − =− − =− olup + =− + − =− ∆ Burada, ağırlık kuvvetinin yönü daima aşağı doğrudur. Yer değiştirme yukarı doğru olduğundan, iki terimin çarpımı olan iş yine negatif olacaktır. Partikülün yer değiştirmesinin aşağı doğru olması halinde ise, yapılan iş pozitif olacaktır. Çünkü kuvvet ve deplasman aynı yönde olacaktır. MADDESEL NOKTANIN KİNETİĞİ: İş - Enerji Yay kuvvetinin işi: Nominal boyuna göre kadar yer değiştirmiş lineer elastik yayda oluşan kuvvet = dir. Burada yay direngenliğidir. Eğer yay, uzama veya kısalma şeklinde doğru den ye uzama veya kısalma şeklinde yer değiştirmiş ise, her iki durumda da kuvvet ve deplasman aynı yönde olduğundan yay kuvvetinin yaptığı iş, pozitif olacak ve büyüklüğü = = = = Bu ifade, = − − doğrusu altındaki trapez alana eşittir. MADDESEL NOKTANIN KİNETİĞİ: İş - Enerji Eğer, maddesel nokta bir yay ile birleştirilmiş ise, yay kuvveti partiküle zıt yönde etki edecektir. Bu durumda, ister uzama, ister kısalma olsun yay kuvvetinin yaptığı iş negatif olacaktır. =− − MADDESEL NOKTANIN KİNETİĞİ: İş - Enerji İş ve enerji prensibi: Sabit referans eksen takımına göre, yörüngesi üzerinde konumu olan kütleli partikül, bileşkesi = ∑ olan dış kuvvetlerin etkisi altındadır. Partikül için ∑ = hareket denklemi yazılabilir. Eğer Partikül yörünge üzerinde yer değiştirmesi yaparsa, bu kuvvetin yaptığı iş; ∑ = Normal ve teğetsel koordinatlar kullanılarak ∑ kuvveti bileşenlerine ayrılabilir. dr yer değiştirme vektörünün büyüklüğü olarak gösterilirse ∑ =∑ =∑ Diğer bir ifade ile kuvvetin teğetsel bileşeni iş yapmaktadır. Partikül normal doğrultuda yer değiştirme yapamadığından normal bileşen iş yapamaz. = olduğundan yukarıdaki denklem ∑ =∑ = MADDESEL NOKTANIN KİNETİĞİ: İş - Enerji ∑ =∑ = Başlangıç sınır şartları = ve = , son sınır şartları edilirek = kinematik denklemine uyarlanırsa, ∑∫ = ve = olarak kabul =∫ ∑∫ = ∑ − = ∑ − = − Denklemin sol tarafı, parçacığın 1 den 2 ye yer değiştirmesi esnasında üzerine etki eden bütün kuvvetlerin yaptığı iştir. Denklemin sağ tarafı ise, sırasıyla, partikülün son ve ilk kinetik enerjilerini göstermektedir. MADDESEL NOKTANIN KİNETİĞİ: İş - Enerji Bu terimler pozitif skaler büyüklüklerdir. Çünkü parçacığın hızının doğrultusuna bağlı değildir. İş ve enerji denklemi alışılmış formda; +∑ = Bu denklem, parçacığın ilk pozisyonundan son pozisyonuna hareket ederken dış kuvvetlerin yaptığı iş toplamının, partikülün kinetik enerjisindeki değişmeye eşit olduğunu ifade eder. Kuvvet, hız ve yer değiştirme içeren problemlerin çözümünde kolaylık sağlar. Örneğin, bir partikülün ilk hızı biliniyor ve partiküle etkiyen bütün kuvvetlerin yaptığı iş hesaplanıyorsa partikülün son hızı bu denklem kullanılarak doğrudan hesaplanabilir. Bunun yerine nin hesabında hareket denklemi kuılanırsa iki adım gereklidir. İlk olarak ∑ = uygulanarak hesaplanır. İkinci adımda ise = kullanılarak hesaplanır. İş-Enerji prensibinin partiküle etkiyen normal kuvvetlerin hesabında kullanılamayacağına dikkat ediniz. Bu durumda ∑ = ifadesi kullanılmalıdır. Eğri yörüngelerde normal kuvvetlerin büyüklükleri hızın fonksiyonudur. Bu yüzden ilk olarak iş ve enerji denklemini kullanarak hızı hesaplamak ve ardından normal kuvveti hesaplamak için hesaplanan bu büyüklüğü ∑ denkleminde yerine koymak daha kolay olabilir. = MADDESEL NOKTANIN KİNETİĞİ: İş - Enerji Kaymanın Neden Olduğu Sürtünmenin Yaptığı İş: İş ve enerji denkleminin kullanılmasında dikkatli bir uygulama gerektiren özel bir durumda, sürtünmenin varlığında, bir cismin diğer bir cismin yüzeyi üzerinde kaydığı durumlardır. Şekilde gösterildiği gibi, pürüzlü bir yüzey üzerinde mesafesi kadar ötelenen bir bloğu göz önüne alalım. Eğer uygulanan kuvveti sadece bileşke sürtünme kuvvetini dengelerse, denge nedeniyle olan bir sabit hızı korunur ve iş ve enerji denkleminin aşağıdaki şekilde uygulanması beklenir. MADDESEL NOKTANIN KİNETİĞİ: İş - Enerji Başlangıç pozisyonunda, cisim hızına sahiptir. Bu anda cismin kinetik enerjisi dir. Cisme hareketi doğrultusunda, dış kuvveti yer değiştirmesi boyunca etki etmektedir. Yani sisteme işi verilmiştir. Ancak, yer değiştirmesi boyunca, = sürtünme kuvveti harekete ters yönde cisme etki etmektedir. Son durumda, cismin hızı ile harekete devam etmesi, kinetik enerjisine sahip olduğunu göstermektedir. Bu cisim için iş ve enerji prensibi şu şekilde yazılır. + − = MADDESEL NOKTANIN KİNETİĞİ: İş - Enerji Güç: Birim zamanda yapılan iş olarak tanımlanır. Güç bir makine veya motorun iş yapabilme kapasitesidir. Belirli bir işi yapmak gerekli motor gücünün belirlenmesi önemlidir. Zira, aynı işi yapabilmek için, gerekli güç miktarı sabit olup motor küçüldükçe çalışma zamanı uzayacak, aksi halde kısalacaktır. P sembolü ile tanımlanan güç ifadesi, = = = veya = = = ⁄ veya ⁄ Watt ile Güç, (Kuvvet-hız veya Moment-açısal hız) parametrelerinden belirlenir. ifade edilir. Watt küçük bir büyüklük olduğundan kilo Watt ( ) ile ölçülür. Bazen de, Beygir gücü BB (Buhar Beygiri) ile ifade edilir. ⁄ = . = = . ⁄ MADDESEL NOKTANIN KİNETİĞİ: İş - Enerji Verim: Makineden alınan işin, makineye verilen işe oranıdır. Diğer bir ifade ile, makinenin ürettiği yararlı gücün, makineye verilen güce oranıdır. ile sembolize edilir. ş ş = ü = ğ üç üç Verim, oranı ifade ettiğinden boyutsuz olup, daima birden küçüktür. Zira, tüm makinelerde, hareketli elemanların sürtünmelerinden dolayı kayıplar olacaktır. Bu kayıplar genellikle ısı enerjisi şeklindedir. Sistemde oluşan enerji kayıpları, mekanik kayıplar, elektrik enerjisi kayıpları, termal kayıplar olarak ifade edilmişlerse, toplam verim; = MADDESEL NOKTANIN KİNETİĞİ: İş - Enerji Konservatif Kuvvetler: Partikülün bir pozisyondan başka bir pozisyona hareketi esnasında, etki eden kuvvetlerin yapmış oldukları iş yörüngeden bağımsız ise, bu tür kuvvetlere konservatif kuvvetler denmektedir. Mekanikte, parçacığın ağırlık kuvveti ve elastik yaya etki eden kuvvet, sıklıkla karşılaşılan konservatif kuvvetlerdir. Ağırlık: Partikülün ağırlığının yaptığı iş yörüngeden bağımsız olup, sadece partikülün düşey yer değiştirmesine bağlıdır. Bu yer değiştirme ∆ , yukarı doğru pozitif olacak şekilde =− ∆ Elastik Yay: Bir partiküle etki eden yay kuvvetinin yaptığı iş, partikülün yörüngesinden bağımsız olup, yayın uzama veya kısalma miktarına bağlıdır. Yay pozisyonundan pozisyonuna uzaması veya kısalması durumunda = −( − ) Sürtünme: Sürtünme kuvvetlerinin yaptığı iş yörüngeye bağlıdır. Yer değiştirme miktarı büyüdükçe sürtünme kuvvetinin yapacağı iş artacaktır. Sonuç olarak, sürtünme kuvvetleri konservatif değildir. MADDESEL NOKTANIN KİNETİĞİ: İş - Enerji Potansiyel Enerji: Belirli bir referansa göre, partikülün konumundan dolayı sahip olduğu enerji olarak tanımlanabilir. Bir kuvvetin hareket etmesi halinde yapabileceği işi gösteren kavramdır. Potansiyelin iş yapabilme kabiliyeti olarak da ifade edilebilir. Bir konservatif kuvvetin verilen konumdan referans çizgisine hareketi esnasında yapacağı iş miktarının bir ölçüsüdür. Mekanikte, hem gravitasyona (ağırlık) hem de elastik bir yaya bağlı olarak çıkan potansiyel enerji oldukça önemlidir. MADDESEL NOKTANIN KİNETİĞİ: İş - Enerji Yer çekiminin potansiyel enerjisi: Seçilen referansa göre, partikül kadar yukarıda ise, ağırlığının pozisyonundan dolayı sahip olacağı enerji, pozitiftir. Çünkü, partikül referansa doğru hareket ederse, pozitif iş yapar. Referansa göre kadar aşağıda ise, ağırlığının pozisyonundan dolayı sahip olacağı enerji, negatiftir. Referans çizgisi üzerinde ise, sıfırdır. Genel olarak, yukarı doğru pozitif alınırsa, partikülün ağırlığının potansiyel enerjisi = MADDESEL NOKTANIN KİNETİĞİ: İş - Enerji Elastik potansiyel enerji: Elastik yay nominal pozisyonundan s kadar uzatılır veya kısaltılır ise, elastik yayda depolanan potansiyel enerji =+ ifadesi ile verilir ve daima pozitiftir. Şekil değiştirmiş pozisyonda (uzama veya kısalma), yay, her zaman nominal boyuna dönmek isteyeceğinden, yay kuvveti partikül üzerinde daima iş yapma kapasitesine sahiptir. MADDESEL NOKTANIN KİNETİĞİ: İş - Enerji Enerjinin korunumu: Bir parçacığın üzerine konservatif ve konservatif olmayan kuvvetler bir arada etkirse, işin konservatif kuvvetler tarafından yapılan kısmı, potansiyel enerjilerindeki fark cinsinden, yani ∑ = − şeklinde yazılabilir. Sonuç olarak, iş ve enerji ilkesi + + ∑ = + olarak yazılabilir. Burada, kons-olma parçacık üzerine etkiyen konservatif olmayan kuvvetlerin işini göstermektedir. Eğer cisme sadece konservatif kuvvetler uygulanırsa, bu terim sıfırdır olacağından + = + Bu denklem, mekanik enerjinin korunumu nu ifade eder. Hareket esnasında parçacığın kinetik ve potansiyel enerjilerinin toplamının sabit kaldığını göstermektedir. Bunun olması için, kinetik enerji potansiyel enerjiye ve tersine, potansiyel enerji kinetik enerjiye dönüşebilmelidir. MADDESEL NOKTANIN KİNETİĞİ: İş - Enerji Örneğin, W ağırlıklı bir top yerin (sıfır düzeyi) üstünde bir h yüksekliğinden düşürülürse, topun potansiyel enerjisi bırakılmadan hemen önce maksimumken kinetik enerjisi sıfırdır. Topun başlangıçtaki toplam mekanik enerjisi = + = + = ⁄ mesafesi kadar düştüğünde, hızı Top = + ⁄ = kullanılarak, = olarak elde edilebilir. durumda, topun orta yükseklikteki enerjisi = + = + = Yere çarpmadan hemen önce, topun potansiyel enerjisi sıfırken hızı = dir. Burada topun toplam enerjisi = + = + + = − Buna MADDESEL NOKTANIN KİNETİĞİ: İş - Enerji Yere değdiğinde topun bir miktar deforme olacağına, zeminin yeterince sert olması durumunda yüzeyden geri sıçrayacağına ve ilk bırakıldığı yüksekliğinden daha az olan yeni bir yüksekliğine ulaşacağına dikkat edilmelidir. Hava direnci ihmal edilirse, yükseklikteki farkın nedeni, çarpışma sırasında ortaya çıkan enerji kaybıdır = − . Bu kayıp, gürültüye, top ve yerin yerel deformasyonuna ve ısıya neden olur. İş – Enerji (ÖRNEK) 3 kg lık kayıcı burç dan serbest bırakıldığında, ihmal edilebilir bir sürtünme ile dairesel çubuk üzerinde kaymaktadır. Burca bağlanmış olan yay / direngenliğe sahip olup nominal boyu . dir. Kayar burcun hareketi esnasında, B den geçtiği andaki hızını hesaplayınız. ÇÖZÜM: Referans çizgisi A dan geçen yatay eksen olacak şekilde seçilebilir. Potansiyel enerji. Sistemde, burcun ağırlığı ve yay kuvveti iş yapma potansiyeline sahiptir. Sürtünme kuvvetleri ihmal edilmiştir. Çubuk ile burcun temas noktalarında ortaya çıkan tepki kuvvetleri sabit noktaya etki etmelerinden dolayı iş yapmazlar. Kayıcı burç, B de iken yayın boyu = . + . = . Uzama miktarları ise, = . ve A da iken − = . ve = . = . dir. − = . . İş – Enerji (ÖRNEK) İş ve Enerji Eşitliği: Başlangıçta, burç durmakta olduğundan kinetik enerjisi yoktur. Ağırlık kuvveti ve yay kuvvetinin potansiyel enerjisi B kinetik enerjiye dönüşecektir. Ağırlık kuvveti ile yer değiştirme aynı yöndedir. Yay hem uzamış halde hem de kısalmış halde negatif iş yapar. Sistem üzerinde A ve B arasında İş ve Enerji eşitliği yazılırsa, + + . ⁄ − . − = − − ⁄ − = . . ⁄ = − . = İş – Enerji (ÖRNEK) kütleli pürüzsüz burcu, düşey şaft üzerine kayabilecek şekilde yerleştiriliyor. Burç konumundayken yay nominal boyunda olduğuna göre, durmakta iken serbest bırakılan yayın = olduğu anda burcun hızını belirleyiniz. İş – Enerji (ÖRNEK) Potansiyel Enerji. Daha uygun olacağından, referans başlangıç çizgisi den geçecek şekilde kabul edildi. Burç ′ iken, referans çizgisinin altında olduğu için = −( gravitasyonel potansiyel enerji, elastik potansiyel enerji ise, ) , = Burada, = . olup şekil üzerinde hesap edildiği gibi yaydaki uzama miktarıdır. İş – Enerji (ÖRNEK) Enerjinin Korunumu. + + + = = = + + ⁄ + = . −( . ) − ( . ) ⁄ Bu problem, hareket denklemi veya iş ve enerji ilkesi kullanılarak çözülebilir. Bu yöntemlerin her ikisinde de yay kuvvetinin büyüklük ve doğrultusunun değişiminin hesaba katılması gerektiğine dikkat edilmelidir. Ancak, yukarıdaki çözüm yöntemi daha pratiktir, çünkü hesaplamalar sadece yolun ilk ve son noktalarında hesaplanan veriye bağlıdır. İş – Enerji (ÖRNEK) Sürtünme kuvvetleri ihmal edilecek büyüklükte olan kütleli A kayıcısı eğimli kılavuz içinde hareket ⁄ olay yay bağlanmış olup A daki pozisyonda, . etmektedir. Kayıcıya, direngenliği uzamış durumdadır. Kabloyla, direnci ihmal edilen makaraya sabit kuvvet uygulanmaktadır. Şekilde verilen pozisyonda, serbest bırakılan kayıcısının den geçtiği andaki hızını hesaplayınız. ÇÖZÜM: Kayıcı uzamayan kablo ile kayıcıya bağlanmıştır. kuvvet . mesafe boyunca etkili olduğundan iş yapacaktır. Burç dikey eksende hareket yaptığından, ağırlık kuvveti iş yapacaktır. Yay başlangıçta . uzama yönünde boy değiştirmiş iken . daha uzayacaktır. Kayıcının serbest bırakıldığı nokta referans alınırsa, + +∑ . − . − − = − . . = . − − − ⁄ = . − . = MADDESEL NOKTANIN KİNETİĞİ: (İmpuls ve Momentum) Bu bölümde, maddesel noktanın hareket analizinde üçüncü bir alternatif yaklaşım olan impuls ve momentum prensibi ele alınacaktır. Kuvvet, hız, kütle ve zaman arasındaki ilişkileri ifade eden bu yöntem, bahsedilen parametrelerin belirlenmesinde doğrudan çözüm sağlayacağından oldukça kullanışlı olacaktır. kütleli maddesel nokta, kuvvetine maruzsa, Newton'un ikinci kanunu (hareket denklemi) uygulanırsa, ∑ = = Burada, ve referans atalet sistemine göre ölçülen ivme ve hız büyüklüklerdir. Sınır şartları = = de = olacak şekilde seçilirse, ∫ ∫ = = de = ve ∫ − Bu denkleme lineer impuls ve momentum ilkesi denir. Bunun hareket denkleminin zamana göre integrasyonu olduğu görülebilir. Parçacığın, başlangıç hızının bilindiği ve üzerine etki eden kuvvetlerin sabit olduğu ya da zamanın fonksiyonu olarak ifade edildiği durumda, belirli bir zaman aralığı sonundaki hızını doğrudan elde edilmesine imkan sağlar. hareket denklemi kullanılarak belirlenecek olursa, Önce, = hareket ⁄ kullanılarak denkleminden belirlenir. Daha sonra, kinematik denklemler = belirlenir. MADDESEL NOKTANIN KİNETİĞİ: (İmpuls ve Momentum) Lineer İmpuls: = ∫ integrali lineer impuls olarak tanımlanır. Bu terim, kuvvetin, uygulandığı zaman aralığı boyunca etkisini ölçen vektörel bir büyüklüktür. Zaman pozitif bir skaler olduğundan, impuls vektörü kuvvetle aynı doğrultudadır. Büyüklüğü kuvvet- zaman veya / ile ölçülür. Kuvvet zamanın bir fonksiyonu olarak tanımlanmışsa, integralin doğrudan hesaplanmasıyla impuls, belirlenebilir. kuvveti − zaman aralığında sabit bir doğrultuda etki ederse, = ∫ impulsunun büyüklüğü deneysel olarak zamana göre kuvvet eğrisinin altındaki taralı alanla gösterilir. Ancak, kuvvetin büyüklüğü ve doğrultusu sabitse, sonuç impuls, şekilde gösterilen dikdörtgen alanı ifade eden, = ∫ = − halini alır. MADDESEL NOKTANIN KİNETİĞİ: (İmpuls ve Momentum) Lineer Momentum: formundaki iki vektörün her biri parçacığın lineer momentumu olarak tanımlanır. pozitif bir skaler olduğundan, lineer momentum vektörü, ile aynı doğrultuya sahiptir. Büyüklüğü kütle-hız, / ile ölçülür. Lineer İmpuls ve Momentum Prensibi: Mühendislik çalışmalarında, yukarıda verilen denklemin bir başka ifade ediliş tarzı da +∫ = Bu ifade tarzı, ikinci kanunun Newton tarafından ilk ifade edilme şeklidir. Gerçekten, maddesel noktaya etki eden kuvvetinin, maddesel noktanın momentumundaki değişim hızına eşit olduğu görülmektedir. MADDESEL NOKTANIN KİNETİĞİ: (İmpuls ve Momentum) Parçacığın deki ilk momentumu ile − zaman aralığında parçacığa uygulanan tüm impulsların vektörel toplamı, parçacığın deki son momentumuna eşdeğerdir. İfade edilen durum, impuls ve momentum diyagramları üzerinde grafiksel olarak gösterilmiştir. Parçacığın, ilk ve son momentumunun doğrultu ve büyüklüğünü gösteren, sembolik şekilleridir. Serbest-cisim diyagramına benzer şekilde, impuls diyagramı ∫ yörünge üzerinde bir ara noktada etki eden bütün impulsları gösteren, parçacığın sembolik şeklidir. Vektörel olarak ifade edilen impuls ve momentum prensibi ifadesi, skaler olarak , , cinsinden yazılabilir. +∫ = +∫ = +∫ = bileşenleri ÖRNEK