Enerji ve İş

Enerji, fizikteki en önemli ve bir o kadar da belirsiz kavramlardan biridir; Neyse ki, enerji ve iş arasındaki ilişki birçok fizik probleminin anlaşılmasına yardımcı olabilir.

Enerji – özellikle mekanik enerji – genellikle iş yapma, yani bir cisme belirli bir mesafe hareket etmesine neden olan net bir kuvvet uygulama yeteneği olarak tanımlanır. Mekanik enerji, potansiyel enerji olarak adlandırılan konuma bağlı enerji ve kinetik enerji olarak adlandırılan harekete bağlı enerji şeklinde olabilir. Bir nesnenin potansiyel ve kinetik enerjisi birbirine dönüştürülebilirken, enerji korunumu yasası, yalıtılmış bir sistemin toplam enerjisinin sabit kalmasını gerektirir.

Bu video, iş-enerji ilkesini tanıtacak, kinetik ve potansiyel enerjiler kavramlarını tartışacak ve bu enerjileri bir pistte kayan planörleri içeren bir deneyde ilişkilendirmek için enerji korunumu yasasını kullanacaktır.

Çok sayıda enerji türü olsa da, mekanik enerji, enerjinin iş yapabilme yeteneği olduğu fikrini en açık şekilde göstermektedir. Böyle bir örnek, bir top mermisinin bir tuğla duvara uçmasıdır.

Bu durumda, bir cisim, gülle, net bir kuvvet uygulayarak ve nesnenin belirli bir mesafe hareket etmesine neden olarak bir nesne, duvar üzerinde çalışır. İş, uygulanan kuvvet ile taşınan mesafenin nokta çarpımı olarak tanımlanır. Uygulanan bu kuvvetin iş yapılabilmesi için yer değiştirme yönünde olması gerekir, yani sadece yer değiştirmeye paralel kuvvet bileşeni iş yapabilir.

Şimdi, işi kinetik enerji ve potansiyel enerjiden oluşan mekanik enerji ile ilişkilendirebiliriz. Top mermisi gibi bir yerden başka bir yere hareket halinde olan bir cisim, öteleme kinetik enerjiye ve iş yapma yeteneğine sahiptir.

Top güllesini vi başlangıç hızından vf’lik bir final hızına hızlandırdığımızı varsayalım – kinematikten bir denklem tarafından yönetilen bir süreç. Bu olay, Newton’un ikinci yasası tarafından yönlendirilen sabit bir net kuvvetin belirli bir mesafeye uygulanmasını gerektirir. İki denklemi birleştirerek ve öteleme kinetik enerjisinin 1/2mv2 olarak tanımlandığına dikkat çekerek, Fnet çarpı D olan top mermisi üzerinde yapılan işin, son ve ilk kinetik enerjilerdeki farka eşit olduğu açıktır. Bu iş-enerji ilkesidir.

Potansiyel enerji söz konusu olduğunda, bir uçurumun kenarındaki bir kaya, büyük yerçekimi potansiyel enerjisine sahiptir. Serbest bırakıldıktan sonra, yerde çalışma potansiyeline sahiptir. Bu potansiyel iş, kayanın kütlesine, yerçekimi ivmesine ve düşme yüksekliğine bağlıdır. Ve bu iş, düşmeden önceki potansiyel enerjiye veya Pi’ye eşittir.

Konuşma yasasına göre, bir olay sırasında enerji dönüştürülebilir, ancak sistemin toplam enerjisi aynı kalmalıdır. Bu nedenle, başlangıç potansiyeli ve kinetik enerjilerin toplamı, son enerjilerin toplamına eşit olmalıdır. Kayanın ilk hızı ve kinetik enerjisi sıfır, son yüksekliği ve potansiyel enerjisi de sıfırdır. Bu nedenle, ilk yerçekimi potansiyel enerjisi, son öteleme kinetik enerjisine eşittir. Önceki denklemlerimizi kullanarak hız, yükseklik, kütle ve enerji arasında bir dizi ilişki çizilebilir.

Artık iş-enerji ilkesini ve enerji korunumu yasasını öğrendiğinize göre, bu kavramların mekanik enerji içeren bir deneye nasıl uygulanabileceğini görelim.

Bu deney bir hız sensörü, bir hava yolu, birkaç özdeş alüminyum blok, bir planör, planöre eklenebilecek birkaç ağırlık, bir ölçek, hava beslemesi ve bir cetvelden oluşur.

Planörü ölçeğin üzerine yerleştirin ve kütlesini kaydedin. Hava beslemesini hava yoluna bağlayın ve açın Alüminyum bloklardan birinin yüksekliğini ölçün ve laboratuvar not defterine kaydedin. Alüminyum bloğu, hava kaynağına en yakın olan hava yolunun ayağının altına yerleştirin. Bu, en düşük yükseklik yapılandırması olacaktır.

Planörü başlangıç konumuna getirin ve dinlenmeden bırakın. Hız sensörünü kullanarak, pistteki son konumu geçerken planör hızını kaydedin. Bu işlemi beş kez tekrarlayın ve ortalama hızı hesaplayın.

Yükseklik konfigürasyonunu yükselterek hava yolunun altına ek bir alüminyum blok yerleştirin. Daha önce olduğu gibi hi ve hf arasındaki farkı ölçün ve bunun bir alüminyum bloğun yüksekliğinin iki katı olduğunu doğrulayın. Bu yükseklik yapılandırması için hız ölçümleri kümesini tekrarlayın.

Yükseklik farkının şimdi blok yüksekliğinin üç katı olduğunu varsayarak hava yolunun altına son bir alüminyum blok yerleştirin ve hız ölçümlerini tekrarlayın. Ardından, planörün kütlesini artırmak için bazı ağırlıklar yerleştirin ve ardından üç farklı yükseklikteki hızları ölçmek için deneyi tekrarlayın.

İş-enerji ilkesinden türetilen denklemler kullanılarak, değişkenlerin her biri için birimlerin farkında olarak her bir çalışma için potansiyel ve kinetik enerjiler hesaplanabilir. Çeşitli yükseklikler için potansiyel enerji farkları tablonun PE sütununda listelenmiştir. Beklendiği gibi, sistemin potansiyel enerjisi, artan yükseklik ve daha ağır kütle ile artar, bu da iş yapma potansiyelinin daha yüksek olduğunu gösterir.

Öteleme kinetik enerjisinin değerleri de KE sütunundaki tabloda bulunur. Potansiyel enerjiye benzer şekilde, kinetik enerji daha ağır planör için daha büyüktür ve yine de daha ağır planörün son hızları daha hafif planör ile aynıdır. Bu, hızın yalnızca yüksekliğin bir fonksiyonu olduğu enerjilerle ilgili denklemden açıkça anlaşılmaktadır. Ayrıca hız, beklendiği gibi yüksekliğin karekökü ile orantılı bir oranda artar.

Enerji korunumu yasasına göre, tablodaki KE ve PE sütunları eşit olmalıdır ve neredeyse eşittirler. İki değer kümesindeki tutarsızlıklar, bu tür bir deney için yaklaşık% 10 olduğu tahmin edilen ölçümlerdeki hatalardan kaynaklanmaktadır.

İş-enerji ilkesini içeren uygulamalar her yerde bulunur ve tüm farklı enerji biçimlerini içerir.

Roller coaster’lar, mekanik enerji dönüşümünün mükemmel bir örneğidir. Devasa bardak altlığı başlangıçta dik bir yokuşun önünde büyük bir yüksekliğe çekilir. Eğimin tepesinde kazanılan önemli potansiyel enerji daha sonra sürüşün geri kalanı için kinetik enerjiye dönüştürülür. Sürüş sırasında, bardak altlığı sürekli bir potansiyel ve kinetik enerji alışverişi yaşar.

Kimyasal reaksiyonlar ayrıca, tipik olarak kimyasal potansiyel enerji ile termal enerji arasında değiş tokuş edilen enerji ile enerji dönüşümü sergiler. Reaksiyon ekzotermik ise, potansiyel enerji çevreye ısı olarak verilirken, endotermik reaksiyonlar için bunun tersi geçerlidir. Bazı ekzotermik reaksiyonlar patlayıcı olabilir, böylece çevresi üzerinde çalışan kinetik enerji üretir.

JoVE’nin Energy and Work by Force’a girişini yeni izlediniz. Artık iş-enerji ilkesinin hem kavramını hem de önemini ve enerji korunumu yasasının potansiyel ve kinetik enerjileri nasıl ilişkilendirebileceğini anlamalısınız. İzlediğiniz için teşekkürler!