10.sınıf fizik, enerji ünitesi mekanik enerjinin korunumu, enerji dönüşümü ve mekanik enerjinin kaybı ders notları
Mekanik enerjinin korunumu
Sürtünme kuvveti cisimlerin yavaşlamasına veya durmasına neden olan bir kuvvettir. Böylece cisimlerin mekanik enerjisi azalır ve azalan bu enerji ısıya dönüşmüş olur. Bu durumda mekanik enerji korunamaz.
Sürtünmesiz bir ortamda ise ısı kaybı oluşmayacağı için mekanik enerji de değişmeyecektir. Hareket süresince kinetik ve potansiyel enerjinin toplamı sabit kalacaktır. Bu duruma mekanik enerjinin korunumu denir.
Mekanik enerjinin korunduğu sistemlerde kinetik enerji ile potansiyel enerji birbirine dönüşür.
Sürtünmesiz ortamda hareketlinin ilk ve son durumda mekanik enerji toplamı her zaman eşittir.
Yukarıdaki tabloda sürtünmesiz ortamda belirli bir yükseklikten serbest bırakılan cismin kinetik, potansiyel ve mekanik enerji değerleri verilmiştir.
Mekanik enerjinin değişmediğine, potansiyel enerji azalırken aynı oranda kinetik enerjinin artığına dikkat edelim.
Cismin ilk mekanik enerjisi potansiyel enerjiye, son mekanik enerjisi ise kinetik enerjiye eşit ve 10E dir.
Eilk = Eson = 10E
Buna göre cismin serbest bırakıldığı andaki potansiyel enerjisi, yere düştüğü andaki kinetik enerjisine eşit olur.
Örnek:
2 kg kütleli cisim, sürtünmenin ihmal edildiği bir ortamda 5 m yükseklikten serbest bırakılıyor. Cismin yere çarpma hızı kaç m/s dir?
Çözüm:
Bu tür sorularda öncelikle hareketin ilk ve son durumda hangi enerjilere sahip olduğu bulunmalıdır.
İlk konumda serbest bırakıldığı için hızı sıfırdır ve kinetik enerjisi yoktur. Yerden yüksekte olduğu için potansiyel enerjisi vardır.
Son durumda ise yere çarpmaktadır, kinetik enerjiye sahiptir ancak yerde olduğu için bu sefer potansiyel enerjiye sahip değildir.
İlk ve son mekanik enerjileri eşit olduğu için,
Epot = Ekin
v = 10 m/s bulunur.
Örnek :
Yukarıdaki 20 m yüksekliğe sahip sürtünmesiz eğik düzlemden 4 kg kütleli bir cisim serbest bırakılıyor. Cismin yere ulaştığı anda hızı kaç m/s olur?
Çözüm:
Sürtünmesiz eğik düzlemde mekanik enerji korunur.
Epot = Ekin
2.10.20 = v2
v = 20 m/s
Mekanik enerjinin kaybı
Sürtünmeli ortamlarda hareket ederken, sürtünmeden dolayı ısı oluşur. Oluşan ısı enerjisinin kaynağı mekanik enerjidir.
Böylece mekanik enerji ısı enerjisine dönüşerek azalır, buna mekanik enerjinin kaybı denir.
Sürtünmeli ortamda mekanik enerji korunmaz ancak toplam enerji korunur.
Toplam enerji mekanik ve ısı enerjisi toplamıdır.
Mekanik enerjinin korunumundan farkı son enerjiye ısı enerjisi de eklenmiş olur.
Mekanik enerji kaybı = ısı enerjisi = sürtünme kuvvetinin yaptığı iş
Eısı = sürtünme sonucu ısıya dönüşen enerji (Joule)
fsür = sürtünme kuvveti (Newton)
x = sürtünmeli düzlemin uzunluğu (Metre)
Sürtünmenin olduğu ortamda mekanik enerji korunmaz ancak toplam enerji korunur.
ilk ve son durumda sistemdeki toplam enerji eşittir.
Yukarıda x uzunluğunda eğik düzlem sürtünmelidir. m kütleli cisim eğik düzlemde h kadar yükseklikten serbest bırakılıyor.
Buna göre eşitlik aşağıdaki gibi yazılır.
Yukarıda görüldüğü gibi ilk durumdaki mekanik enerjinin bir kısmı, son durumda ısı enerjine dönüşmüştür.
Mekanik enerji kaybı her zaman Eısı kadardır.
Örnek-1:
Bir cisim sürtünme kuvvetinin 10 N olduğu bir yolda, 5 m hareket ediyor. Buna göre cismin ısı kaybı kaç J dir?
Çözüm:
Eısı = 10.5 = 50 J dur
Örnek-2 :
Sürtünmeli yatay bir düzlemde ilerleyen 2 kg kütleli cismin hızı 20 m/s den 10 m/s düşmüştür. Cismin bu durumda mekanik enerji kaybı kaç j dur?
Çözüm:
Enerji kaybı ilk ve son mekanik enerjilerin farkıdır.
Eısı = 400 – 100 = 300 J
Mekanik enerji 300 J azalmıştır. Isıya dönüşmüştür.
Oluşan enerji kaybı sürtünme kuvvetinin yaptığı iştir. Aynı zamanda;
Wsür = -300 J yazılabilir.
Örnek-3:
Çözüm:
I- Cisim sürtünmeli bir düzlemde hareket ettiği için mekanik enerji korunmaz, mekanik enerjinin bir kısmı sürtünme sonucu ısıya dönüşür ve azalır.
II- Sürtünmeden dolayı ısı enerjisi oluşur, sıcaklık artar
III- Potansiyel enerjinin tamamı kinetik enerjiye dönüşemez, bir kısmı ısıya dönüşür ancak kinetik enerji sürtünme kuvvetinin büyüklüğüne göre sabit kalabilir, azalabilir veya artabilir.
