PHY1001 · 11. hafta · Work and Energy : Kinetic Energy, Work-energy Theorem, Power, Relativistic Kinetic Energy

Kinetik enerji, iş-enerji teoremi ve güç

Net iş kinetik enerjideki değişime eşittir. Hız, fren mesafesi ve güç sorularını kuvvet-ivme hesabı yapmadan çözmeyi öğrenirsin.

kinetic energywork-kinetic energy theoremnet workpowerwattaverage powerinstantaneous powerrelativistic kinetic energy

Geçen hafta işi hesaplamayı öğrendin. Bu hafta o işin ne işe yaradığını göreceksin: net iş, cismin hızını değiştirir. Bu ilişkiye iş-kinetik enerji teoremi (work-kinetic energy theorem) denir ve Newton’un ikinci yasasının enerji dilindeki hâlidir. Faydası şu: süre ve ivme sorulmayan problemlerde F=maF = ma ve kinematik denklemlerle uğraşmadan, tek satırda hız ya da mesafe bulursun.

Altın kurallar:

  1. K=12mv2K = \tfrac12 mv^2. Kinetik enerji skalerdir ve hiçbir zaman negatif olmaz.
  2. Wnet=ΔKW_{net} = \Delta K. Net iş pozitifse cisim hızlanır, negatifse yavaşlar, sıfırsa sürati değişmez.
  3. Güç, işin ne kadar hızlı yapıldığıdır: P=W/Δt=FvP = W/\Delta t = Fv.
  4. Hızı formüle koymadan önce m/s’ye çevir. Kare alındığı için hata büyür.

Kinetik enerji

Hareket eden bir cismin hareketinden dolayı sahip olduğu enerjiye kinetik enerji (kinetic energy) denir:

K=12mv2[K]=kg⋅m2/s2=JK = \tfrac12 mv^2 \qquad [K] = \text{kg}\cdot\text{m}^2/\text{s}^2 = \text{J}

Hızın karesiyle büyüdüğü için yön önemli değil. +5+5 m/s ve −5-5 m/s ile giden aynı cismin kinetik enerjisi aynıdır.

Çözümlü örnek 1. 60.0 g’lık bir mermi 300 m/s ile gidiyor.

K=12(0.0600 kg)(300 m/s)2=2.70×103 JK = \tfrac12(0.0600\ \text{kg})(300\ \text{m/s})^2 = 2.70\times10^3\ \text{J}

Gramı kilograma çevirmeyen biri 1000 kat büyük sonuç bulur. Şıklarda bu sayı genelde bekliyor olur.

İş-kinetik enerji teoremi

Sabit net kuvvetle dd kadar giden bir cisim için Fnet=maF_{net} = ma ve vf2=vi2+2adv_f^2 = v_i^2 + 2ad. İkisini birleştir:

Fnet d=ma d=12m(vf2−vi2)F_{net}\,d = ma\,d = \tfrac12 m(v_f^2 - v_i^2)

Sonuç değişken kuvvetlerde de geçerlidir:

Wnet=Kf−Ki=ΔK\boxed{W_{net} = K_f - K_i = \Delta K}

Burada WnetW_{net}, cisme etki eden bütün kuvvetlerin işlerinin toplamıdır: uygulanan kuvvet, sürtünme, yerçekimi, yay, hepsi işaretiyle.

Çözüm yöntemi

1. Serbest cisim diyagramı çiz, kuvvetleri listele.
2. Her kuvvetin işini bul (W = F d cos theta; dik olanlar 0).
3. Topla: W_net.
4. ½ m vf² - ½ m vi² = W_net yaz, bilinmeyeni çek.

Çözümlü örnek 2. 4.00 kg’lık bir kutu yatay zeminde 3.00 m/s ile kayıyor. Hareket yönünde 25.0 N’luk yatay bir kuvvet 5.00 m boyunca uygulanıyor. μk=0.300\mu_k = 0.300. Kutunun son hızı?

Uygulanan kuvvetin işi:  W_F = 25.0 · 5.00 = 125 J
Sürtünme: f = 0.300 · 4.00 · 9.80 = 11.76 N
          W_f = -11.76 · 5.00 = -58.8 J
N ve mg: harekete dik → 0
W_net = 125 - 58.8 = 66.2 J
½ (4.00) vf² = ½ (4.00)(3.00)² + 66.2 = 18.0 + 66.2 = 84.2 J
vf² = 42.1  →  vf = 6.49 m/s

TUZAK · başlangıç kinetik enerjisini unutmak. Cisim durgun başlamıyorsa Ki≠0K_i \neq 0. "12mvf2=Wnet\tfrac12 mv_f^2 = W_{net}" yazan, örnekte 5.75 m/s bulur. Teorem bir değişim söyler.

Fren mesafesi

Kayan araba için tek iş yapan kuvvet sürtünme: −μkmg d=0−12mv2-\mu_k mg\,d = 0 - \tfrac12 mv^2. Buradan:

d=v22μkgd = \frac{v^2}{2\mu_k g}

Kütle sadeleşir. Hız iki katına çıkarsa mesafe dört katına çıkar. Bu, trafikte hız sınırlarının neden önemli olduğunun fizikteki karşılığı.

Net iş sıfır, ama kuvvetler çalışıyor

Bir kutuyu sabit hızla yukarı kaldırdığında senin yaptığın iş +mgh+mgh, yerçekiminin işi −mgh-mgh. Net iş sıfır, kinetik enerji değişmiyor. Bu, “hiç iş yapılmadı” demek değil. Her kuvvetin ayrı işi vardır ve soru hangisini sorduğunu söyler: “work done by you”, “work done by gravity” ya da “net work”. Şıklarda bu üç sayı yan yana durur. Soru kökündeki kuvvetin adının altını çiz.

İPUCU · kinematik mi enerji mi? Soruda süre geçmiyorsa ve sorulmuyorsa iş-enerji teoremi genelde en kısa yoldur. Süre sorulursa kinematiğe dön (v=v0+atv = v_0 + at).

Güç

Aynı işi 2 saniyede yapan motor, 20 saniyede yapandan daha güçlüdür. Güç (power), birim zamanda yapılan iştir:

Pavg=WΔtP=dWdt[P]=J/s=W (watt)P_{avg} = \frac{W}{\Delta t} \qquad P = \frac{dW}{dt} \qquad [P] = \text{J/s} = \text{W (watt)}

Sabit kuvvetle dW=F dxcos⁡θdW = F\,dx\cos\theta olduğu için anlık güç (instantaneous power):

P=Fvcos⁡θ=F⃗⋅v⃗P = Fv\cos\theta = \vec F\cdot\vec v

Pratik birimler: 1 hp=746 W1\ \text{hp} = 746\ \text{W}, 1 kWh=(1000 W)(3600 s)=3.6×106 J1\ \text{kWh} = (1000\ \text{W})(3600\ \text{s}) = 3.6\times10^6\ \text{J}. kWh bir enerji birimidir, güç değil.

Çözümlü örnek 3. 800 kg’lık asansör yukarı doğru sabit 3.00 m/s ile çıkıyor (sürtünme yok). Motorun gücü?

Sabit hız → a = 0 → kablo kuvveti T = mg = 800 · 9.80 = 7840 N
P = T v = 7840 · 3.00 = 2.35 × 10⁴ W = 23.5 kW

TUZAK · sabit hızda güç sıfır değil. Sabit hızda net iş sıfır, kinetik enerji değişmiyor. Ama motor, yerçekiminin (ya da sürtünmenin) aldığı enerjiyi sürekli yerine koyuyor. Motorun gücü Fmotor⋅vF_{motor}\cdot v ile hesaplanır.

Göreli kinetik enerji (kısa not)

12mv2\tfrac12 mv^2 ışık hızına (c=3.00×108c = 3.00\times10^8 m/s) yaklaşan cisimlerde yanlış sonuç verir. Özel görelilikte (relativistic kinetic energy):

K=(γ−1)mc2γ=11−v2/c2K = (\gamma - 1)mc^2 \qquad \gamma = \frac{1}{\sqrt{1 - v^2/c^2}}

mc2mc^2 durgun enerjidir (rest energy), γmc2\gamma mc^2 toplam enerjidir.

Çözümlü örnek 4. v=0.800cv = 0.800c için γ=1/1−0.640=1.667\gamma = 1/\sqrt{1 - 0.640} = 1.667. K=0.667 mc2K = 0.667\,mc^2. Klasik formül 12m(0.8c)2=0.320 mc2\tfrac12 m(0.8c)^2 = 0.320\,mc^2 verirdi: yarısından az. Düşük hızlarda (v≪cv \ll c) iki formül aynı sonucu verir, günlük problemlerde 12mv2\tfrac12 mv^2 kullanmaya devam.

Karışık sınav örnekleri

Çözümlü örnek 5 (yokuşta güç). 1200 kg’lık araba 5.00∘5.00^\circ‘lik bir yokuşu sabit 20.0 m/s ile çıkıyor. Hava ve yuvarlanma direnci toplam 500 N. Motorun tekerleklere verdiği güç?

Sabit hız → eğim boyunca net kuvvet 0
F_motor = m g sin5 + F_direnç = 1200·9.80·0.0872 + 500
        = 1025 + 500 = 1525 N
P = F_motor · v = 1525 · 20.0 = 3.05 × 10⁴ W = 30.5 kW
Düz yolda olsaydı: P = 500 · 20.0 = 10.0 kW

Yokuş gücü üç katına çıkardı. Gücün büyük kısmı yerçekimine karşı iş yapmaya gidiyor, yani arabanın potansiyel enerjisini artırıyor (12. hafta).

Çözümlü örnek 6 (iki yöntemi karşılaştır). 12.0 m/s ile giden bir cisim sabit 3.00 m/s23.00\ \text{m/s}^2 ile yavaşlıyor. Durana kadar ne kadar yol alır?

Kinematik:   0 = 12.0² - 2·3.00·d   →  d = 24.0 m
İş-enerji:   -m·3.00·d = 0 - ½ m 12.0²  →  d = 144/6.00 = 24.0 m

İki yol aynı cevabı verir, çünkü iş-enerji teoremi zaten F=maF = ma ile v2=v02+2aΔxv^2 = v_0^2 + 2a\Delta x‘in birleşimidir. Enerji yönteminin asıl üstünlüğü, kuvvet sabit olmadığında (yay, değişken kuvvet) ya da yol eğri olduğunda ortaya çıkar. Orada kinematik formüller çalışmaz, iş-enerji çalışır.

Soru ne istiyor?En kısa yol
Süre (tt)Kinematik, v=v0+atv = v_0 + at
Hız ya da mesafe, kuvvetler sabitİkisi de olur; iş-enerji genelde tek satır
Hız, kuvvet değişken (yay, F(x)F(x))İş-enerji
Güç, sabit hızP=FvP = Fv, FF dengeden
Ortalama güç, hız değişiyorP=ΔK/ΔtP = \Delta K/\Delta t (+ diğer işler)

Sık yapılan hatalar

Yanlış düşünceDoğrusu
K=mv2K = mv^2 ya da 12mv\tfrac12 mvK=12mv2K = \tfrac12 mv^2
km/h ile formüle girdimÖnce ÷ 3.6; kare olduğu için hata ~13 kat
WnetW_{net} sadece uygulanan kuvvetin işiSürtünme ve yerçekimi dahil tüm kuvvetler
12mvf2=Wnet\tfrac12 mv_f^2 = W_{net} (durgun değilken)12mvf2−12mvi2=Wnet\tfrac12 mv_f^2 - \tfrac12 mv_i^2 = W_{net}
Hız iki kat → KK iki katDört kat
v=W/mv = \sqrt{W/m}v=2W/mv = \sqrt{2W/m}
Sabit hızda motor gücü 0P=FmotorvP = F_{motor}v; net güç 0
kWh güç birimidirEnerji birimi: 3.6×1063.6\times10^6 J
P=F/vP = F/v ya da P=Fv2P = Fv^2P=FvP = Fv, F=P/vF = P/v
kW’ı W’a çevirmedim30.0 kW = 30 000 W
Işık hızına yakın: 12mv2\tfrac12 mv^2(γ−1)mc2(\gamma - 1)mc^2

Kendini test et

Sınavdaki gibi İngilizce sorular. Önce kâğıt kalemle çöz, sonra cevabı aç.

Soru 1kolay

What is the kinetic energy of a 1200 kg car moving at 72.0 km/h?

  1. 3.11 × 10⁶ J
  2. 2.40 × 10⁵ J
  3. 4.80 × 10⁵ J
  4. 1.20 × 10⁴ J
  5. 2.40 × 10⁴ J
Cevabı göster
B) 2.40 × 10⁵ J

Önce 72.0 km/h=20.0 m/s72.0\ \text{km/h} = 20.0\ \text{m/s}. K=12mv2=12(1200)(20.0)2=2.40×105 JK = \tfrac12 mv^2 = \tfrac12(1200)(20.0)^2 = 2.40\times10^5\ \text{J}. A: km/h çevrilmemiş. C: 12\tfrac12 unutulmuş. D: kare unutulmuş (12mv\tfrac12 mv). E: momentum mvmv (birimi bile farklı).

Soru 2kolay

If the speed of a moving object is doubled, its kinetic energy becomes:

  1. 2 times larger
  2. 8 times larger
  3. √2 times larger
  4. unchanged
  5. 4 times larger
Cevabı göster
E) 4 times larger

K∝v2K \propto v^2: (2v)2=4v2(2v)^2 = 4v^2. Hızı iki katına çıkan arabanın fren mesafesi de 4 katına çıkar.

Soru 3kolay

A 2.00 kg block starts from rest on a frictionless surface. A constant net force of 12.0 N pushes it 3.00 m3.00\ \text{m}. What is its final speed?

  1. 4.24 m/s
  2. 6.00 m/s
  3. 18.0 m/s
  4. 36.0 m/s
  5. 8.49 m/s
Cevabı göster
B) 6.00 m/s

Wnet=(12.0)(3.00)=36.0 J=12mv2⇒v=2W/m=36.0=6.00 m/sW_{net} = (12.0)(3.00) = 36.0\ \text{J} = \tfrac12 mv^2 \Rightarrow v = \sqrt{2W/m} = \sqrt{36.0} = 6.00\ \text{m/s}. A: 2 çarpanı unutulmuş (W/m\sqrt{W/m}). C: W/mW/m, karekök ve 2 yok. D: v2v^2 bulunup karekök alınmamış. E: kütleye bölünmemiş (2W\sqrt{2W}).

Soru 4orta

A car traveling at 72.0 km/h locks its brakes and skids to a stop on a level road. The coefficient of kinetic friction is 0.5000.500. How far does it skid?

  1. 81.6 m
  2. 529 m
  3. 4.08 m
  4. 40.8 m
  5. 20.4 m
Cevabı göster
D) 40.8 m

İş-enerji: −μkmg d=0−12mv2⇒d=v22μkg=(20.0)22(0.500)(9.80)=40.8 m-\mu_k mg\,d = 0 - \tfrac12 mv^2 \Rightarrow d = \dfrac{v^2}{2\mu_k g} = \dfrac{(20.0)^2}{2(0.500)(9.80)} = 40.8\ \text{m}. Kütle sadeleşir. A: 2 unutulmuş. B: km/h çevrilmemiş. C: vv'nin karesi alınmamış. E: μk\mu_k unutulmuş (v2/2gv^2/2g).

Soru 5kolay

A motor lifts a 50.0 kg load 2.00 m vertically at constant speed in 4.00 s. What average power does it deliver?

  1. 25.0 W
  2. 980 W
  3. 245 W
  4. 61.3 W
  5. 3.92 × 10³ W
Cevabı göster
C) 245 W

Sabit hız: motorun işi mgh=(50.0)(9.80)(2.00)=980 Jmgh = (50.0)(9.80)(2.00) = 980\ \text{J}. P=W/t=980/4.00=245 WP = W/t = 980/4.00 = 245\ \text{W}. A: gg unutulmuş. B: süreye bölünmemiş, bu iş. D: t2t^2'ye bölünmüş. E: süreyle çarpılmış.

Soru 6orta

A car's engine delivers 30.0 kW to the wheels while the car moves at a constant 25.0 m/s. What is the total resistive force on the car?

  1. 7.50 × 10⁵ N
  2. 1.20 N
  3. 2.40 × 10³ N
  4. 48.0 N
  5. 1.20 × 10³ N
Cevabı göster
E) 1.20 × 10³ N

Sabit hızda motor kuvveti direnci dengeler. P=Fv⇒F=P/v=30 000/25.0=1.20×103 NP = Fv \Rightarrow F = P/v = 30\,000/25.0 = 1.20\times10^3\ \text{N}. A: P⋅vP\cdot v. B: kW çevrilmemiş. C: 2P/v2P/v, kinetik enerjideki 12\tfrac12 ile karıştırmak. D: P/v2P/v^2.

Soru 7zor

A 10.0 kg crate starts from rest and is pulled 5.00 m5.00\ \text{m} across a level floor by a rope with tension 60.0 N at 30.0∘30.0^\circ above the horizontal. μk=0.200\mu_k = 0.200. What is the crate's final speed?

  1. 6.19 m/s
  2. 5.69 m/s
  3. 6.81 m/s
  4. 7.21 m/s
  5. 4.38 m/s
Cevabı göster
A) 6.19 m/s

N=mg−Fsin⁡30∘=98.0−30.0=68.0 NN = mg - F\sin 30^\circ = 98.0 - 30.0 = 68.0\ \text{N}, fk=13.6 Nf_k = 13.6\ \text{N}. Wnet=(60.0cos⁡30∘−13.6)(5.00)=191.8 JW_{net} = (60.0\cos 30^\circ - 13.6)(5.00) = 191.8\ \text{J}. v=2(191.8)/10.0=6.19 m/sv = \sqrt{2(191.8)/10.0} = 6.19\ \text{m/s}. B: N=mgN = mg alınmış. C: cos unutulmuş. D: sürtünme yok sayılmış. E: 12\tfrac12'deki 2 unutulmuş.

Soru 8orta

A particle moves at v=0.600cv = 0.600c. Its relativistic kinetic energy, in units of its rest energy mc2mc^2, is:

  1. 0.180 mc²
  2. 1.25 mc²
  3. 0.250 mc²
  4. 0.360 mc²
  5. 0.600 mc²
Cevabı göster
C) 0.250 mc²

γ=1/1−0.360=1.25\gamma = 1/\sqrt{1 - 0.360} = 1.25. K=(γ−1)mc2=0.250 mc2K = (\gamma - 1)mc^2 = 0.250\,mc^2. A: klasik 12mv2=0.180 mc2\tfrac12 mv^2 = 0.180\,mc^2 (hızlı parçacıkta yanlış). B: toplam enerji γmc2\gamma mc^2, kinetik değil. D: v2/c2v^2/c^2. E: v/cv/c.

Soru 9orta

What average power (in kW) is needed to accelerate a 1500 kg car from rest to 27.0 m/s in 9.00 s? Ignore friction and air drag.

Cevabı göster
60.8 kW

W=ΔK=12(1500)(27.0)2=5.47×105 JW = \Delta K = \tfrac12(1500)(27.0)^2 = 5.47\times10^5\ \text{J}. Pavg=W/Δt=5.4675×105/9.00=6.08×104 W=60.8 kWP_{avg} = W/\Delta t = 5.4675\times10^5/9.00 = 6.08\times10^4\ \text{W} = 60.8\ \text{kW}.

Soru 10orta

A 0.150 kg ball is thrown straight up at 18.0 m/s. What work (in J) does gravity do on the ball between the throw and the highest point?

Cevabı göster
-24.3 J

Tepede v=0v = 0. Tek kuvvet yerçekimi, o yüzden Wg=ΔK=0−12(0.150)(18.0)2=−24.3 JW_g = \Delta K = 0 - \tfrac12(0.150)(18.0)^2 = -24.3\ \text{J}. Kontrol: h=v2/2g=16.5 mh = v^2/2g = 16.5\ \text{m}, −mgh=−24.3 J-mgh = -24.3\ \text{J}. İşaret negatif: kuvvet aşağı, hareket yukarı.

Soru 11orta

At some instant a force F⃗=(3i^+4j^) N\vec F = (3\hat i + 4\hat j)\ \text{N} acts on an object moving with velocity v⃗=(2i^−j^) m/s\vec v = (2\hat i - \hat j)\ \text{m/s}. What is the instantaneous power delivered by the force?

  1. 10 W
  2. 11.2 W
  3. 6 W
  4. 2 W
  5. -2 W
Cevabı göster
D) 2 W

P=F⃗⋅v⃗=(3)(2)+(4)(−1)=6−4=2 WP = \vec F\cdot\vec v = (3)(2) + (4)(-1) = 6 - 4 = 2\ \text{W}. A: −1-1'in eksisi atılmış. B: ∣F⃗∣∣v⃗∣|\vec F||\vec v|, açı yok sayılmış. C: sadece x terimi. E: işaret ters çevrilmiş.

Soru 12zor

A spring (k=500 N/mk = 500\ \text{N/m}) is compressed 0.100 m0.100\ \text{m} and launches a 0.200 kg puck across a frictionless horizontal table. What is the puck's speed (in m/s) after it leaves the spring?

Cevabı göster
5.00 m/s

Yayın işi: W=12kx2=12(500)(0.100)2=2.50 J=12mv2W = \tfrac12 kx^2 = \tfrac12(500)(0.100)^2 = 2.50\ \text{J} = \tfrac12 mv^2. v=xk/m=0.1002500=5.00 m/sv = x\sqrt{k/m} = 0.100\sqrt{2500} = 5.00\ \text{m/s}. 12\tfrac12'yi bir tarafta unutan 7.07 m/s bulur.

Doğrulama: Tüm sayısal cevaplar ve çeldiriciler node ile hesaplandı (verify/PHY1001/11.mjs), g = 9.80 m/s², c = 3.00 × 10⁸ m/s.

Deftere not kartı

K = ½ m v² (J, hep pozitif, skaler) km/h ÷ 3.6 = m/s v iki kat → K dört kat (fren mesafesi de dört kat) İŞ-ENERJİ: W_net = ΔK = ½ m vf² - ½ m vi² W_net = tüm kuvvetlerin işi (sürtünme dahil, işaretli) Fren / kayma: d = v² / (2 mu_k g) kütle sadeleşir Hız bul: vf = √(vi² + 2 W_net / m) Güç: P_avg = W / Δt P = F v cos(theta) = F·v birim W = J/s Sabit hızda: motor kuvveti = direnç, P = F_direnç · v Sabit hızla kaldırma: P = m g v = m g h / t 1 hp = 746 W 1 kWh = 3.6 × 10⁶ J Göreli: K = (gamma - 1) m c² gamma = 1/√(1 - v²/c²) v << c ise göreli K → ½ m v²