GENEL BİLGİLER

Yapılan işin bilimsel anlamda iş olabilmesi için belli bir kuvvet uygulanmalı ve uygulanan kuvvet yönünde cisim yol almalıdır. Örneğin, kitap okuyan çocuk kitaba herhangi bir kuvvet uygulamadığı için bilimsel anlamda iş yapmaz.Çizim yapan mimar, balık tutan dam kuvvetuygulamadıkları için bilimsel anlamda iş yapmazlar.Çuval taşıyan bahçıvan ise uyguladığı kuvvet yönünde yapılan işin bilimsel anlamda iş olabilmesi için belli bir kuvvet uygulanmalı ve uygulanan kuvvet yönünde cisim yol almalıdır.Örneğin, kitap okuyan  çocuk kitaba herhangi  bir kuvvet uygulamadığı  için bilimsel anlamda  iş yapmaz.Çizim yapan mimar, balık tutan dam kuvvet uygulamadıkları için bilimsel anlamda iş yapmazlar. Çuval taşıyan bahçıvan iş ise uyguladığı kuvvet yönünde cismin yerini değiştirmediğinden bilimsel anlamda  yapmaz. Fiziksel anlamdaki  işin günlük  yaşantımızda kullanılan  anlamından farklı olarak özel bir tanımı                                                     vardır.         

Fiziksel anlamda bir etkinliğin iş olarak tanımlanabilmesi için,cismin uygulanan kuvvetin etkisi ile yer değiştirmesi gerekir.Fotoğraftaki market arabası  uygulanan  kuvvet  doğrultusunda hareket etmektedir. Böylece arabanın hareketi ile iş yapılmış olur. Fotoğraflarda görüldüğü gibi elma toplamak,bisiklet kullanmak, sporcunun  halteri  kaldırması bilimsel anlamda

birer iştir. Ancak sporcu halteri,aldırdığı yükseklikte ne kadar uzun süre tutarsa  tutsun uyguladığı kuvvet haltere kendi   doğrultusunda yol aldırmadığından bu sürede iş yapmış olmaz. Özetlemek gerekirse bir etkinliğin fiziksel anlamda iş olabilmesi için;

• Cisme bir kuvvet uygulanmalıdır

• Kuvvet uygulanan cisim, kuvvet yönünde hareket etmelidir.

Bilimsel anlamda bir işin yapılmış olması için cisme kuvvet uygulamak yeterli değildir. Kuvvet uyguladığımız hâlde cisim hareket etmiyorsa yani yer değiştirmiyorsa iş yapılmış olmaz. Büyük bir taşı yerinden kaldırmaya çalıştığımızda, ne kadar yorulmuş olursak olalım, eğer uyguladığımız kuvvet, taşın yerini değiştirmiyorsa fiziksel anlamda iş yapmış olmayız. Sırt çantasını takıp taşıdığımızda da çantaya uyguladığımız kuvvetle hareket yönü aynı olmadığından iş yapmış olmayız. Çantayı yukarı doğru kaldırırken,kitapları sıranın üzerinde iterek hareket ettirirken uygulanan kuvvet doğrultusunda çanta ve kitaplar yer değiştirdiğinden fiziksel anlamda iş yapılmış olur.Fotoğraftaki kişiler arabaya hareket doğrultusunda kuvvet uyguladıkları hâlde arabayı hareket ettiremiyorlar.

Araba, uygulanan kuvvet doğrultusunda yol almadığı için fiziksel anlamda iş yapılmamış olur.Yapılan işin büyüklüğü,cisme uygulanan kuvvetin büyüklüğüne ve cismin yer değiştirme mesafesine bağlıdır. İş, uygulanan kuvvet ve alınan yol ile doğru orantılıdır.

Yukarıdaki resimde görülen öğrenci;ilk resimde yerden aldığı bir kitabı, ikinci resimde ise iki kitabı masanın üstüne oymaktadır. Kitaplar her iki resimde de aynı yüksekliğe  konulmaktadır. İki kitap bir kitaptan iki kat daha ağırdır. İki kitabı kaldırmak için  uygulanan kuvvet, bir kitabı kaldırmak için uygulanan kuvvetin iki katıdır. Bu sebeple yapılan iş de iki kat fazladır.

Tuğlaları üst üste koyarak duvar ören bir ustanın tuğlaları koyduğu yükseklik yani tuğlanın aldığı yol her seferinde arttığından ustanın yaptığı iş de giderek artar.

    Yanda Dilara, hem elindeki tepsiyi tutabilmek için kuvvet uyguluyor hem de yürüdüğü için tepsiye yol aldırıyor. İş yapabilme koşullarını sağlıyor gibi görünse de aslında fiziksel anlamda iş yapılmamaktadır. Çünkü tepsiyi bu şekilde taşımak için taşıma sırasında tepsiye uygulanan kuvvetin yönü yukarı (düşey) doğrudur.Gerçekleşen hareketin yönü ise yataydır.Kuvvet, tepsinin aldığı yola diktir. Bu sebeple fiziksel anlamda iş gerçekleşmez.  Fiziksel anlamda iş apılabilmesi için o cisme uygulanan kuvvetin hareketle aynı doğrultuda olması gerekir.

Demek ki “Cisme etki eden kuvvet ile cismin hareket doğrultusu birbirine dik olduğunda fiziksel anlamda iş yapılmış olmaz.”diyebiliriz.               
        

Yüksekten bırakılan bir cismin yere düşmesiyle iş yapılmış olur mu? Kitaplıktan aşağı düşen bir kitabı düşünelim. Kitabı aşağı doğru hareket ettiren yer çekimi kuvvetidir. Hem yer çekimi kuvvetinin etkisiyle hem de bu etki ile aynı doğrultuda hareket ettiği için kitap, fiziksel anlamda iş yapar. Kuvvet birimini olan Newton’un “N” harfi ile yer değiştirme birimi olan metrenin de “m” harfi yle gösterildiğini biliyoruz. İş birimi ise kuvvet ve yer değiştirme birimlerinin çarpımı olan  “Newton.metre” dir. N.m’ye özel olarak  “Joule”   denir.  Kısaca “J” ile gösterilir.

1N’luk bir kuvvet, bir cisme etki ettiği doğrultuda 1 m yer değiştirtiyorsa 1 J kadar iş yapılmış olur. “Yapılan işin büyüklüğü, cisme uygulanan kuvvetin ve kuvvet doğrultusunda yapılan yer değiştirme miktarının büyüklüğüne bağlıdır.” diyebiliriz. Bir cisme 20 m yol aldırmak için 10 N’luk kuvvet uyguladığımızda yapılan iş 200 J olurken 20 N’luk kuvvet uyguladığımızda yapılan iş 400 J olur.           
                                    

Enerji, bir cisme ya da sisteme etki ederek iş yapabilme yeteneği kazandırır.İş ve enerji farklı kavramlardır. Ancak iş yapabilmek için mutlaka enerjiye ihtiyaç vardır.Enerji “iş yapabilme yeteneği” olarak tanımlanır. Enerji, madde değil maddeye ait bir özelliktir, doğrudan ölçülemez. Enerji, iş yapabilme yeteneği olduğundan enerji ve iş birimleri de aynı olmalıdır. İş birimi Joule olduğundan enerji birimi de Joule’dür. Enerji E ile gösterilir ve skaler büyüklüktür. Enerji bir madde değildir. Bir cisme ait olan özelliktir.

• İş ve enerji daima birbirine eşittir. 

• İş ve enerji birimleri birbiri ile aynıdır.

• Bir cismin ya da sistemin iş yapabilmesi için enerji gereklidir.

• İş yapabilen her cismin ya da sistemin enerjisi vardır.

• İş yapan cisimler ya da sistemler enerji kazanır, işi yaparken de enerji harcar.

Doğada farklı enerji türleri vardır. Bunlar;

• Mekanik Enerji 

• Nükleer Enerji 

• Isı Enerjisi 

• Ses Enerjisi 

• Işık Enerjisi 

• Rüzgar Enerjisi 

• Elektrik Enerjisi 

• Su Enerjisi 

• Güneş Enerjisi 

• Jeotermal Enerji 

• Kimyasal Enerji 

• Elektro magnetik Enerji 

Mekanik enerji, kinetik enerji ve potansiyel enerji olarak iki çeşittir.

                

Hareket hâlindeki bütün varlıkların enerjileri vardır. Şelaleden akan suyun, rüzgârın, hareket eden atın, gemilerin, düşen yağmur damlalarının enerjileri hareket enerjisidir. Bu enerji kinetik enerji olarak adlandırılır. Bir cismin kinetik enerjisinin büyüklüğü, cismin süratine ve kütlesine bağlıdır. Eşit kütleli iki arabadan birinin 30 km/h, diğerinin 50 km/h süratle hareket ettiğini düşünelim. Bu durumda daha süratli olan arabanın  harcadığı enerji daha büyüktür. Bir cismin sürati ne kadar yüksek olursa kinetik enerjisi de o kadar büyük olur. Kütlesi büyük olan cisimlerin süratlerini arttırmak için gereken enerji miktarı daha fazladır. Bir cismin kütlesi ne kadar büyükse kinetik enerjisi de o kadar büyük olur.

Cisimler konumlardan dolayı bir enerjiye sahiptir. Bu enerji potansiyel  enerji olarak adlandırılır. Cisimlerin konumlarından (yerden yükseklik) dolayı sahip oldukları bu enerjiye çekim potansiyel enerjisi adı verilir.

Yandaki resimde gördüğünüz yukarıdaki akrobat, bulunduğu konumdan dolayı sahip olduğu çekim potansiyel enerjisi ile diğer akrobatı yukarı doğru fırlatabilir. Yukarı konuma yerleşen diğer akrobat da bu sayede bir çeşit enerji depolamış olur. Duvardan atlayan akrobat, diğer akrobatı yukarı fırlatarak iş yapmış olur.

Metrelerce yüksekten atlayan paraşütçü yer çekiminin etkisiyle aşağı doğru hareket eder. Hareketi süresince yer çekimi kuvveti paraşütçüye aynı doğrultuda yol aldırdığı için fiziksel anlamda iş yapılır. Enerji, iş yapabilme yeteneği olduğundan bu durumda başlangıçta bir enerjinin olması gerekir. Paraşütçünün atlamadan önce sahip olduğu enerji çekim potansiyel enerjisidir.Yerden belli bir yüksekliği olan varlıkların hepsinin çekim potansiyel enerjisi vardır. Direkteki bayrağın, gökyüzündeki uçağın, dağlardaki karın, tavandaki avizenin, ağaç dalında duran elmanın vb.

Bir cismi yukarı kaldırdığımızda, yer çekimini yenmek için cisme kuvvet uygulamış ve iş yapmış oluruz. Yaptığımız iş, kaldırdığımız cisimde çekim potansiyel enerjisi olarak depolanır. Bir cismin ağırlığı ve yerden yüksekliği arttıkça çekim potansiyel enerjisi de artar.

Aşağıda görüldüğü gibi sıkıştırdığımız yayın önüne bir cisim koyalım. Yay serbest bırakıldığında yayda depolanan potansiyel enerji kinetik enerjiye dönüşerek cismi ileri doğru iter. Cismin ileri doğru hareket etmesi, yayın iş yaptığını gösterir. Buna göre sıkıştırılan yay serbest bırakıldığında iş yapma yeteneğine sahiptir.

Yandaki fotoğrafta görüldüğü gibi bazı kurmalı oyuncakların içinde yay bulunur. Bu yay sıkıştırılıp, oyuncak zemin üzerine bırakıldığında da hareket eder. Böylece yayda depolanan potansiyel 

enerji kinetik enerjiye dönüşmüş olur.Gerilmiş yay serbest bırakıldığında oka bir kuvvet uygular ve ok bu kuvvet doğrultusunda hareket eder. Bu durum

gerilmiş yayda da enerjinin depolandığını ve yayın iş yapabildiğini gösterir.

Yayların ve esnek cisimlerin enerji depolama özelliğinden birçok alanda yararlanıldığını fark ettiniz mi?

Esnek cisimlerin sıkışması ve gerilmesi sonucunda sahip olduğu enerjiye (depolanan enerjiye) esneklik potansiyel enerjisi denir. Kurmalı saatlerde ve müzik kutularında; sarmal yaylarda depolanabilen esneklik potansiyel enerjisinden faydalanılır. 

Esneklik potansiyel enerjisi, sıkıştırılan veya gerilen cismin cinsi ile sıkıştırılmanın veya gerilmenin miktarına bağlıdır. Yaptığımız etkinlikte görüldüğü gibi esneklik potansiyel enerjisi, lastiğin cinsine ve gerilme miktarına göre değişmiştir.

Bir cismi yerden daha yüksek bir noktaya kaldırdığımızda yer çekimine karşı bir iş yapar. Yapılan bu iş cisimde enerji olarak depolanır ve cismin iş yapabilecek duruma gelmesine neden olur. Potansiyel enerjinin simgesi Ep ve birimi jouledir. Yeryüzünden h yüksekliğine olan m kütlesine sahip olan bir cismin potansiyel enerjisini hesaplamak için; Ep=m.g.h

                         

Arabanın yerden 2 cm yüksekte olduğunda ki potansiyel enerjisi yerden 4 cm yukarıda olduğu potansiyel enerjisinden daha küçüktür.

Bir eğik düzlemde hareket eden bir arabanın potansiyel ve kinetik enerjilerini şu şekilde gösterebiliriz.

                       
Ep: potansiyel enerji
Ek: Kinetik enerji
Cisim hareket ederken ortamdaki sürtünme önemsiz ise ısı şeklinde enerji kaybı olmaz. Fakat kinetik enerji artarken potansiyel enerji azalır, potansiyel enerji artarken kinetik enerji artar. Bu iki enerjinin toplamı ise sürtünmesiz ortamda hiçbir zaman değişmez.
Bazı kurmalı oyuncakların içinde bir yay bulunur. Bu yay kurularak oyuncağın hareket etme yeteneği kazanması sağlanır. Yani yayda potansiyel enerji depolanır. Yay boşalırken oyuncak hareket eder. Böylece yaydaki potansiyel enerji kinetik enerjiye dönüşmüş olur. Esnek cisimlerin Sıkışma ve gerilmesi sonucunda sahip oldukları enerjiye esneklik potansiyel enerji denir.