Potansiyel enerji ve korunumlu kuvvetler
Yerçekimi ve yay potansiyel enerjisi, korunumlu ile korunumsuz kuvvet farkı ve F = −dU/dx. Enerjinin korunumu sorularının alt yapısı.
Geçen hafta her kuvvetin işini tek tek hesapladın. Bazı kuvvetler için bu işi önceden “depolanmış” bir enerji olarak düşünebilirsin: potansiyel enerji (potential energy). Bir kitabı rafa kaldırdığında yaptığın iş kaybolmaz, konumda saklanır. Kitap düşerken geri verilir. Bu hafta iki potansiyel enerji türünü (yerçekimi ve yay), hangi kuvvetler için potansiyel enerji tanımlanabileceğini ve ‘ten kuvvet bulmayı öğreneceksin.
Altın kurallar:
- , .
- Korunumlu kuvvetin işi ve yoldan bağımsızdır.
- Sürtünme korunumsuzdur: işi yolun uzunluğuna bağlı, potansiyel enerjisi yok.
- . Eksi işaret kuvvetin ‘nun azaldığı yöne baktığını söyler.
Yerçekimi potansiyel enerjisi
kütleli bir cismi sabit hızla ‘den ‘ye kaldırdığında yerçekimi iş yapar. Bu işin eksisini potansiyel enerji değişimi olarak tanımlarız:
, seçtiğin referans seviyesinden (reference level) yukarı doğru ölçülür. Referansı yer, masa, tavan, nereyi istersen seçebilirsin. ‘nun değeri değişir, değişmez. Fizik sadece farkla ilgilenir.
Çözümlü örnek 1. 0.500 kg’lık top 30.0 m yükseklikteki bir çatıda duruyor.
Referans = yer: U = 0.500 · 9.80 · 30.0 = 147 J
Referans = çatı: U = 0
Top yere düşerse: ΔU = -147 J (iki referansta da aynı)
Yerçekiminin işi: W_g = -ΔU = +147 J
TUZAK · yükseklik referanstan ölçülür. Raf masanın 1.50 m üstünde, masa yerden 0.900 m yüksekse rafın yerden yüksekliği 2.40 m’dir. Soruda hangi yüksekliğin sorulduğunu dikkatle oku.
Yay potansiyel enerjisi
Yayı kadar germek için yaptığın iş idi (10. hafta). Bu iş yayda esneklik potansiyel enerjisi (elastic potential energy) olarak saklanır:
denge konumundan uzama ya da sıkışmadır. Kare olduğu için ikisi de pozitif enerji verir.
Çözümlü örnek 2. bir yay 8.00 cm sıkıştırılmış.
Uzamayı ikiye katlarsan enerji dört katına çıkar: .
Yerçekiminden farklı olarak yay enerjisinin referansı serbest değildir. her zaman yayın doğal uzunluğundan (natural length) ölçülür, çünkü yay ne gerili ne sıkışıkken olur. Düşey asılı bir yayda iki enerji birlikte görünür: blok aşağı indikçe azalır, artar. Problemlerde ikisini ayrı terimler olarak yaz ve her birinin kendi referansını karıştırma: için seçtiğin bir yükseklik, için yayın doğal uzunluğu.
Korunumlu ve korunumsuz kuvvetler
Bir kuvvetin korunumlu (conservative) olması için iki eşdeğer koşul var:
- Bir noktadan diğerine yaptığı iş yoldan bağımsızdır (path independence), sadece uçlara bağlıdır.
- Kapalı bir yolda yaptığı iş sıfırdır.
| Korunumlu | Korunumsuz (nonconservative) |
|---|---|
| Yerçekimi ( ve Newton’un evrensel çekimi) | Kinetik sürtünme |
| İdeal yay kuvveti | Hava direnci (drag) |
| Elektrostatik kuvvet | İnsanın ya da motorun itmesi |
| Potansiyel enerji tanımlanır | Potansiyel enerji tanımlanamaz |
Sürtünme neden korunumsuz? Çünkü her adımda harekete zıttır. Gidiş de geliş de negatif iş yapar. Kutuyu 3 m ileri itip geri getirdiğinde sürtünmenin toplam işi olur, sıfır değil. Bu enerji ısıya (iç enerjiye) dönüşür ve mekanik olarak geri gelmez.
TUZAK · sürtünmede yer değiştirme değil yol. ‘dan ‘e L şeklinde giden kutu 7.00 m yol alır, yer değiştirmesi 5.00 m’dir. Sürtünmenin işi . Yerçekiminin işi ise yatay yolda iki durumda da sıfır.
Kuvvet ile potansiyel enerji arasındaki ilişki
Korunumlu kuvvet için . Buradan iki yönlü ilişki:
Kontrol: (Hooke). (aşağı). İkisi de tutuyor.
Çözümlü örnek 3. (J, m). m’deki kuvvet ve denge noktaları?
dU/dx = 8x - 4x³
F(1) = -(8 - 4) = -4.00 N (eksi x yönünde)
Denge: 8x - 4x³ = 0 → 4x(2 - x²) = 0 → x = 0, x = ±√2 = ±1.41 m
d²U/dx² = 8 - 12x²
x = 0: +8 > 0 → U minimum → kararlı
x = ±1.41: -16 < 0 → U maksimum → kararsız
Çözümlü örnek 4. (N, m), . ?
Potansiyel enerji grafiğini okumak
grafiği bir tepe-vadi manzarası gibidir. Kuvvet her zaman yokuş aşağı gösterir (eğimin tersi):
- Eğim pozitifse ( artıyor) kuvvet yönünde.
- Eğim sıfırsa kuvvet sıfır: denge (equilibrium).
- Vadinin dibi (minimum): kararlı denge (stable). Biraz itersen geri döner.
- Tepenin üstü (maksimum): kararsız denge (unstable). Biraz itersen uzaklaşır.
- Düz bölge: nötr denge.
TUZAK · ile aynı şey değil. Denge, ‘nun eğiminin sıfır olduğu yerdir. ‘nun kendisinin sıfır olduğu nokta özel bir anlam taşımaz; referansa bağlıdır.
Karışık sınav örnekleri
Çözümlü örnek 5 (U’dan kuvvet ve denge). (J, m).
F(x) = -dU/dx = -(6x² - 6)
F(2.00) = -(24 - 6) = -18.0 N
Denge: 6x² - 6 = 0 → x = +1.00 m ve x = -1.00 m
d²U/dx² = 12x
x = +1.00: +12 > 0 → minimum, kararlı, U(1) = -4.00 J
x = -1.00: -12 < 0 → maksimum, kararsız, U(-1) = +4.00 J
Toplam enerjisi olan bir parçacık civarındaysa nereye kadar gidebilir? olan yerler: , yani ve m. Parçacık bu iki dönüş noktası arasında salınır. Bu fikri 13. haftada enerji diyagramı olarak göreceksin.
Çözümlü örnek 6 (yol bağımsızlığı). 4.00 kg’lık kutu 3.00 m yüksekliğe iki yoldan çıkarılıyor: 10 basamaklı merdivenle ya da 8.00 m’lik rampayla. Yerçekiminin işi?
İki yolda da aynı. Merdivende yatay adımlarda yerçekimi iş yapmaz, dikey adımların toplamı 3.00 m. Rampada kuvvet bileşeni küçük ama yol uzun: . Yol uzunluğu sadece sürtünmenin işini değiştirir.
İPUCU · sınavda bu konunun yeri. Saf potansiyel enerji soruları kolaydır (, ). Asıl puan türev sorularında ve korunumlu kuvvet kavram sorularında. Türevin işaretini ve kararlılık testini mutlaka çalış.
Sık yapılan hatalar
| Yanlış düşünce | Doğrusu |
|---|---|
| ; kinetik enerjide | |
| referansa bağlı | bağlı, bağlı değil |
| Rampada yerçekiminin işi (yol) | (düşey düşüş), yol önemsiz |
| Sürtünmenin işi (yer değiştirme) | (yol uzunluğu) |
| ‘ten için ‘yu yerine koymak | Önce türev al, sonra yerine koy |
| Denge: | Denge: |
| Minimum kararsız, maksimum kararlı | Minimum kararlı (vadi), maksimum kararsız (tepe) |
| Sıkıştırılmış yayda negatif | her zaman pozitif |
| ‘de cm ile hesap | Metreye çevir, kare alınır |
Kendini test et
Sınavdaki gibi İngilizce sorular. Önce kâğıt kalemle çöz, sonra cevabı aç.
What is the gravitational potential energy of a 2.50 kg object 4.00 m above the floor, taking the floor as the reference level (U = 0)?
- 10.0 J
- 24.5 J
- 196 J
- 98.0 J
- 49.0 J
Cevabı göster
. A: unutulmuş. B: unutulmuş (bu ağırlık, N). C: fazladan 2. E: kinetik enerjideki 'yi buraya taşımak.
A 1.50 kg book is moved from a table top 0.800 m above the floor to a shelf 2.10 m above the floor. What is the change in its gravitational potential energy?
- +30.9 J
- +42.6 J
- +19.1 J
- -19.1 J
- +11.8 J
Cevabı göster
. Yükseldiği için pozitif. A: sadece raf yüksekliği. B: yükseklikler toplanmış. D: işaret ters. E: sadece masa yüksekliği.
Which of the following forces is nonconservative?
- Gravity near Earth
- The force of an ideal spring
- The gravitational force between two planets
- The electrostatic force between two charges
- Kinetic friction
Cevabı göster
Kinetik sürtünmenin işi yola bağlıdır (uzun yol, daha çok negatif iş) ve kapalı bir yolda sıfır değildir. Diğer dördünün işi sadece başlangıç ve bitiş noktasına bağlıdır, onlar için potansiyel enerji tanımlanabilir.
A 3.00 kg block slides down a frictionless curved ramp. The path along the ramp is 6.00 m long and the block drops a vertical height of 2.00 m. How much work does gravity do on the block?
- 58.8 J
- 176 J
- -58.8 J
- 0 J
- 29.4 J
Cevabı göster
Yerçekimi korunumlu: işi yoldan bağımsız, sadece düşey düşüşe bağlı. , cisim indiği için pozitif. B: yol uzunluğu (6.00 m) kullanılmış. C: işaret ters (bu ). D: rampa eğri diye iş sıfır sanmak. E: fazladan .
The potential energy of a particle moving along the x axis is (U in joules, x in meters). What is the force on the particle at ?
- -12 N
- -4 N
- +12 N
- +4 N
- 0 N
Cevabı göster
. : . A: eksi işaret unutulmuş (sadece ). B: , türev alınmamış. D: 'nin eksisi. E: kuvvet sıfır sanılmış.
For the same potential , where are the equilibrium points and what kind are they?
- x = 0 unstable, x = 1 m stable
- both stable
- only x = 1.5 m, stable
- x = 0 stable, x = 1 m unstable
- x = 0 and x = 1.5 m, both unstable
Cevabı göster
Denge: ve m. İkinci türev . : , minimum, kararlı. : , maksimum, kararsız. m, olan nokta; ile 'ı karıştıranlar oraya gider.
A spring with k = 800 N/m is compressed 4.00 cm. How much elastic potential energy does it store?
- 1.28 J
- 32.0 J
- 0.640 J
- 6.40 × 10³ J
- 16.0 J
Cevabı göster
. Sıkıştırma da germe gibi: hep pozitif. A: unutulmuş. B: (kuvvet). D: cm çevrilmemiş. E: , kare unutulmuş.
A conservative force acts on a particle that moves around a closed path and returns to its starting point. The total work done by that force is:
- zero
- positive
- negative
- equal to the path length times the force
- impossible to know without the path
Cevabı göster
Korunumlu kuvvetin tanımı: kapalı yol boyunca işi sıfır. Başlangıç ve bitiş aynıysa , . Yolu bilmeye gerek yok.
A conservative force on a particle is (F in N, x in m). Taking , what is the potential energy (in J) at ?
Cevabı göster
. . Kontrol: . İntegraldeki eksiyi unutan J bulur.
A 2.00 kg box is pushed across a floor () from point to point along an L-shaped path: 4.00 m along x, then 3.00 m along y. What work (in J) does friction do?
Cevabı göster
, her zaman harekete zıt. Yol uzunluğu m: . Düz yoldan (5.00 m) gitseydi J olurdu. Aynı uçlar, farklı iş: sürtünme korunumsuz.
To store four times as much elastic potential energy in a spring, you must stretch it:
- 4 times as far
- √2 times as far
- 16 times as far
- 2 times as far
- half as far
Cevabı göster
. için dört kat, iki kat. A: doğrusal sanmak. C: 'yi tersten uygulamak.
A 2.00 kg box rests on a shelf 1.50 m above a table top; the table top is 0.900 m above the floor. The box falls to the floor. What is the change in its gravitational potential energy?
- -29.4 J
- -47.0 J
- +47.0 J
- 0 J, it depends on the reference level
- -17.6 J
Cevabı göster
Toplam düşüş m. . Referans seviyesi 'nun kendisini değiştirir ama 'yu değiştirmez. A: sadece rafla masa arası. C: işaret ters. E: sadece masa yüksekliği.
Doğrulama: Tüm sayısal cevaplar ve çeldiriciler node ile hesaplandı (verify/PHY1001/12.mjs); türevler sayısal merkezi farkla, integraller sayısal orta nokta toplamıyla kontrol edildi, g = 9.80 m/s².