5. Enerji, İş ve Güç 💡

5.1. İş Kavramı

Fizikte iş, bir kuvvete bağlı olarak bir cismin yer değiştirmesiyle enerji aktarımını ifade eden skaler bir büyüklüktür. Bir kuvvete karşı veya kuvvet yönünde bir hareket olduğunda iş yapılır. Bir kuvvetin iş yapabilmesi için, kuvvetin cismi kendi etki doğrultusunda yer değiştirmesi gerekir.

Sabit bir F kuvveti, cismi kuvvet ile aynı yönde Δx kadar yer değiştirirse yapılan iş W = F * Δx formülüyle hesaplanır. Eğer kuvvet ile yer değiştirme arasında θ açısı varsa, iş W = F * Δx * cos(θ) olarak bulunur. İşin SI birimi Joule (J)dir.

• Kuvvet ve yer değiştirme aynı yöndeyse (0°), iş pozitif (yapılan iş).
• Kuvvet ve yer değiştirme zıt yöndeyse (180°), iş negatif (harcanan iş).
• Kuvvet ve yer değiştirme birbirine dikse (90°), iş sıfırdır (kuvvet iş yapmaz).

5.2. Güç Kavramı

Güç, birim zamanda yapılan iş veya birim zamanda aktarılan enerji miktarıdır. Skaler bir büyüklüktür. Güç, işin yapılma hızı hakkında bilgi verir.

Ortalama güç P_ortalama = W / Δt formülüyle hesaplanır (P: güç, W: iş, Δt: zaman aralığı). İş yerine kuvvet ve hız kullanılarak da ifade edilebilir: P = F * v_ortalama. Gücün SI birimi Watt (W)dır (1 Watt = 1 Joule/saniye).

5.3. Enerji Kavramı ve Türleri

Enerji, iş yapabilme kapasitesidir. Skaler bir büyüklüktür ve SI birimi Joule (J)dir. Enerji çeşitli biçimlerde bulunabilir ve bir biçimden diğerine dönüştürülebilir.

5.3.1. Kinetik Enerji

Bir cismin hareketinden dolayı sahip olduğu enerjidir. Kütlesi m olan ve v hızıyla hareket eden bir cismin kinetik enerjisi E_k = (1/2) * m * v² formülüyle hesaplanır. Hızın karesiyle doğru orantılıdır, bu da hızın enerji üzerindeki etkisinin daha büyük olduğunu gösterir.

5.3.2. Potansiyel Enerji

Bir cismin konumu veya durumu nedeniyle depoladığı enerjidir.

• Yer Çekimi Potansiyel Enerjisi: Bir cismin yer çekimi alanı içinde belirli bir yükseklikte bulunmasından dolayı depoladığı enerjidir. Kütlesi m olan bir cismin yer seviyesinden h kadar yükseklikteki potansiyel enerjisi E_p = m * g * h formülüyle hesaplanır (g: yer çekimi ivmesi). Referans noktası seçimi önemlidir.
• Esneklik Potansiyel Enerjisi: Esnek bir yayın sıkıştırılması veya gerilmesi sonucu depoladığı enerjidir. Bir yayın sıkışma veya gerilme miktarı x ve yay sabiti k ise, esneklik potansiyel enerjisi E_p = (1/2) * k * x² formülüyle hesaplanır.

5.4. İş-Enerji Teoremi

Bir cisme etki eden net kuvvetin yaptığı iş, cismin kinetik enerjisindeki değişime eşittir.

Bu teorem, bir cisim üzerindeki kuvvetlerin toplam etkisinin, cismin hareket enerjisinde ne kadar bir değişikliğe yol açtığını gösterir. Cisim üzerinde pozitif net iş yapılırsa kinetik enerjisi artar, negatif net iş yapılırsa kinetik enerjisi azalır.

5.5. Enerjinin Korunumu

Enerji korunumu prensibi, kapalı bir sistemde enerjinin yoktan var edilemeyeceğini ve vardan yok edilemeyeceğini, ancak bir formdan başka bir forma dönüşebileceğini ifade eder. Sürtünme ve hava direnci gibi dış kuvvetlerin ihmal edildiği sistemlerde mekanik enerji (kinetik enerji + potansiyel enerji) korunur.

Yani, (E_k_ilk + E_p_ilk) = (E_k_son + E_p_son).

Gerçek sistemlerde sürtünme gibi korunumsuz kuvvetler enerji kaybına neden olur, ancak bu kayıp genellikle ısı enerjisine dönüşüm şeklinde gerçekleşir. Toplam enerji (mekanik + ısı + diğer formlar) her zaman korunur.