İş, Enerji, Güç, Basit Makineler

Konusu 'Fizik' bölümündedir ve Ömer tarafından 7 Mayıs 2008 başlatılmıştır.

  1. Ömer

    Ömer Yönetici

    basit makaralar, basit makine çeşitleri, iş ve enerji arasındaki ilişki

    İŞ - ENERJİ - GÜÇ & BASİT MAKİNELER

    İŞ
    İş kelimesi, günlük hayatta çok kullanılan ve çok geniş kapsamlı bir kelimedir. Fiziksel anlamda işin tanımı tektir.
    Yola paralel bir F kuvveti cisme yol aldırabiliyorsa iş yapıyor demektir.
    [​IMG]

    Yapılan iş, kuvvet ile yolun çarpımına eşittir. İş W sembolü ile gösterilirse,
    W = F . Dx olur.
    Hareket doğrultusuna dik olan kuvvetler iş yapmazlar.
    Duran ya da hareket eden bir cisme uygulanan F kuvveti cismin başlangıç şartlarına bağlı olarak değişik hareketlere neden olabilir.
    Örneğin duran bir cisme sabit bir kuvvet uygulanarak iş yapılırsa, cisim düzgün hızlanan hareket yapar.
    Herhangi bir kuvvet yönünde yapılan iş pozitif ise, ters yönde uygulanan kuvvetin yaptığı iş negatiftir.
    W = F . Dx bağıntısına göre, iş yapılabilmesi için kuvvet cisme yol aldırmalı ve kuvvet ile yol paralel olmalıdır.
    Bir cisim yerden yukarı doğru cismin ağırlığına eşit bir kuvvetle hareket ettirilirken yer çekimine karşı iş yapılır. Yapılan iş kuvvet ile kuvvete paralel h yolunun çarpımına eşittir.
    W = F . h
    W = mg . h dir.
    [​IMG]

    Eğer cisim h yüksekliğinden serbest bırakılıp aşağı doğru düşerse, yerçekimi iş yapmıştır.
    Bir cismi h yüksekliğine çıkarmak için yapılan iş, cismi çıkarırken izlenen yolun şekline ve uzunluğuna bağlı değildir.
    Yani yapılan bu iş yoldan bağımsızdır.
    [​IMG]

    SI birim sisteminde iş birimi Joule dür. İş bağıntısından görüleceği gibi Joule = N . mdir.

    ENERJİ
    Fizikte iş yapmanın hedefi enerji aktarımıdır. Kuvvet uygulayarak gerçekleştirilen enerji alış-verişine iş denir. Sistemin iş yapabilme kabiliyeti enerji olarak tanımlanabilir.
    Enerji skaler bir büyüklüktür. Yani enerjinin yönü, bileşeni ve uygulama noktası gibi vektörel özellikleri yoktur. Bir sisteme uygulanan kuvvet iş yapıyorsa yapılan iş enerjideki değişime eşittir.
    Wdış = DEsistem = E2 – E1dir.

    Enerji çeşitleri oldukça fazladır. Mekanik enerji, ısı enerjisi, Güneş enerjisi, nükleer enerji, rüzgar enerjisi, bazı enerji çeşitleridir. İş birimleri ile enerji birimleri aynıdır.

    Potansiyel Enerji
    Cisimlerin yüksekliklerinden dolayı sahip oldukları enerjiye potansiyel enerji denir.
    Bu enerji yer çekimi kuvvetinden kaynaklanır. m kütleli bir cismi yer seviyesinde h kadar yükseğe sabit hızla çıkarmak için yapılması gereken iş,
    W = F . h = mg . hdir.
    Yapılan işin enerji değişimine eşit olduğunu biliyoruz.
    Cisim sabit hızla çıkarıldığı için kinetik enerji değişmemiştir. O halde yapılan iş, cismin potansiyel enerji değişimine eşittir. Buna göre, yerden h kadar yükseklikte cismin yere göre potansiyel enerjisi,
    Ep = mg . h
    bağıntısı ile bulunur. Burada h yüksekliği, cismin potansiyel enerjisi nereye göre soruluyorsa, oraya olan yüksekliktir.
    [​IMG]

    Kinetik Enerji
    Hareket halindeki cisimlerin sahip olduğu enerjiye kinetik enerji denir.
    Kütlesi m, hızı v olan bir cismin kinetik enerjisi, [​IMG] [​IMG]
    şeklinde tanımlanır. Kinetik enerji kütle ile hızın karesinin çarpımı ile doğru orantılıdır. Birimi Joule dir.
    Kinetik enerji-hız grafiği şekildeki gibidir. Düz bir yolda cisme F kuvveti uygulandığında, yapılan iş cismin kinetik enerji değişimine eşit olur.
    [​IMG]
    • Bir cismin sahip olduğu kinetik ve potansiyel enerjinin toplamına mekanik enerji denir. Em = Ep + Ek
    • Net kuvvetin yaptığı iş, cismin kinetik enerjisindeki değişme miktarına eşittir.
    • Yer çekimi kuvvetine karşı yapılan iş, cismin potansiyel enerji değişimine eşittir.

    Sürtünmeden Dolayı Isıya Dönüşen Enerji
    Sürtünmeli bir ortamda hareket eden cisimlere sürtünme kuvveti uygulandığını öğrenmiştik.
    Sürtünme kuvveti hareketi engelleyici özelliği olduğu için cisimlerin mekanik enerjilerini azaltıcı etki yapar. Azalan mekanik enerji kadar enerji, ısı enerjisine dönüşür.
    [​IMG]

    Sürtünme kuvvetinin yaptığı iş,
    Eısı = W = fs . Dx dir.
    Buna göre, sürtünmeden dolayı ısıya dönüşen enerji, sürtünme kuvveti ve yer değiştirme miktarı ile doğru orantılıdır.

    ENERJİNİN KORUNUMU
    Bir sistemdeki enerji; kinetik ve potansiyel gibi çok farklı türler halinde bulunabilir. Bu enerji türleri kendi aralarında dönüşüme uğrayabilir. Örneğin elektrik enerjisi ütüde ısıya, ampulde ışığa, çamaşır makinesinde ise hareket enerjisine dönüşür.
    Enerji kaybolmadan bir türden başka bir tür enerjiye dönüşür. Toplam enerji daima sabittir. Toplam enerji sabit ise, bir tür enerji azalırken başka bir tür enerji aynı oranda artar.

    1. Sürtünmelerin ihmal edildiği sistemlerde kinetik ve potansiyel enerjilerin toplamı sabittir. Sürtünme olmadığı için ısıya dönüşen enerji olmaz. Mekanik enerji toplam enerjiye eşittir.
    Etop = Ek + Ep = sabit
    Kinetik enerjideki artış, potansiyel enerjideki azalışa ya da, kinetik enerjideki azalış, potansiyel enerjideki artışa eşittir.

    1. Sürtünmenin olduğu sistemlerde mekanik enerji (Ek + Ep) sabit değildir. Zamanla mekanik enerji azalır. Azalma miktarı kadar enerji, sürtünmeden dolayı ısı enerjisine dönüşür. Toplam enerji ise sabittir.
    Etop = Ek + Ep + Eısı = sabit

    GÜÇ
    Birim zamanda yapılan işe güç denir.
    [​IMG]
    SI birim sisteminde güç birimi
    [​IMG]

    1 kW = 1000 watt tır.

    BASİT MAKİNELER
    Bir işi daha kolay yapabilmek için kullanılandüzeneklere basit makineler denir.Bu basit makineler kuvvetin doğrultusunu, yönünü ve değerini değiştirerek günlük hayatta iş yapmamızı kolaylaştırır.

    Basit Makinelerin Genel Özellikleri

    1. Basit makine ile, kuvveten, hızdan ve yoldan kazanç sağlanabilir. Fakat aynı anda hepsinden kazanç sağlanamaz. Birinden kazanç varsa, diğerlerinden aynı oranda kayıp vardır.
    2. Kuvvet kazancı, yükün kuvvete oranı olarak ifade edilir. Yük kuvvet ile dengede ise,
      [​IMG]
    3. Hiç bir basit makinede işten kazanç yoktur. Hatta sürtünme gibi nedenlerden dolayı kayıp vardır. Sürtünmenin olmadığı ideal basit makinelerde işten kayıp yoktur. Bu durumda makine tam kapasite ile çalışır.
    4. Basit makinelerde iş eşitliği prensibi geçerlidir.

    KALDIRAÇLAR
    a.Destek ortada ise,
    Sağlam bir destek etrafında dönebilen çubuklara kaldıraç denir.
    Bir kaldıraçta kuvvetin desteğe olan uzaklığına (x) kuvvet kolu, yükün desteğe uzaklığına (y) yük kolu denir.
    Şekildeki desteğin ortada olduğu ağırlığı önemsiz kaldıraç dengede iken, yük ile kuvvet arasındaki ilişkiF . x = P . ydir.
    Burada P ile F kuvvetleri paralel olduğu için çubuğa dik bileşenlerini almaya gerek yoktur.
    [​IMG]

    Kuvvet kolu, yük kolundan büyük (x > y) ise, kuvvetten kazanç sağlanır ve cisimler ağırlığından daha küçük kuvvetlerle dengede tutulabilirler.
    Bu tip basit makinelere örnek olarak pense, makas, tahtarevalli, kerpeten, manivela ve eşit kollu terazi sayılabilir.

    b. Destek uçta ise,
    Şekildeki ağırlığı önemsiz olan kaldıraçta, F ile P arasındaki ilişkiF . x = P . y dir.
    Bu tip kaldıraçlarda, x > y olduğundan kuvvetten kazanç sağlanır.
    [​IMG]

    El arabası, gazoz açacağı, fındık kırma makinesi, kağıt delgi zımbası bu tip kaldıraca örnek olarak verilebilir.

    c. Yük ve destek uçta ise,
    Şekildeki ağırlığı önemsiz olan kaldıraçta, F ile P arasındaki ilişki yine;F . x = P . y dir.
    x > y olduğundan kuvvetten kayıp, yoldan ise kazanç vardır.
    [​IMG]

    Cımbız ve maşa bu tip kaldıraçlara örnek olarak verilebilir.

    MAKARALAR
    Makaralar sabit bir eksen etrafında serbestçe dönebilen, çevresinde ipin geçebilmesi için oluğu olan basit bir makinedir.
    a. Sabit makaralar : Çevresinden geçen ip çekildiğinde yalnızca dönme hareketi yapabilen makaralara sabit makara denir.
    Paralel kuvvetler mantığına göre
    F . r = P . r Ş F = P dir.
    [​IMG]

    Makara ile ip arasında sürtünme önemsiz iken aynı ipin bütün noktalarındaki gerilme kuvveti aynı olduğundan F = P dir. Kuvvetten kazanç yoktur.

    b. Hareketli Makara
    Çevresinden geçen ip çekildiğinde hem dönebilen hem de yükselip alçalabilen makaralara hareketli makara denir.
    Aynı ipin bütün noktalarındaki gerilme kuvveti aynı olduğundan, dengenin şartına göre,
    [​IMG]
    [​IMG]

    Ağırlığı ihmal edilen hareketli makarada kuvvetten kazanç vardır. Hareketli makarada F kuvveti ile ipin ucu h kadar çekilirse, karşılıklı paralel iplerin her birinden h/2 kadar kısalma olur ve cisim h/2 kadar yükselir.
    Şekilde, makara ağırlıkları önemsiz düzenekte F ile P arasındaki ilişki denge şartından bulunabilir. Sürtünmeler önemsiz iken aynı ipin bütün noktalarındaki gerilme kuvvetleri eşit olur. Yukarı yönlü kuvvetlerin toplamı aşağı yönlü kuvvetlerin toplamına eşit olduğundan,
    [​IMG]
    [​IMG]

    PALANGALAR
    Hareketli ve sabit makara gruplarından oluşan sistemlere palanga denir. Makara ağırlıkları ve sürtünmelerin önemsiz olduğu palanga sistemlerinde, kuvvet ile yük arasındaki ilişki, makaralarda olduğu gibi denge şartlarından bulunur.
    Makara ağrılıkları ihmal edilmiyor ise, hareketli makaraların ağırlıkları yüke ilave edilerek aynı işlem yapılır. Sabit makaraların ağırlıkları ise, tavana bağlı olan iplerle ya da bağlantı maddeleriyle dengelenir.

    [​IMG]

    EĞİK DÜZLEM
    Ağır yükleri belli yüksekliğe kaldırmak zor olduğu zaman eğik düzlem yardımıyla yükten daha az bir kuvvet ile cisimler istenilen yüksekliğe çıkarılabilir.
    Sürtünmeler önemsiz ise, eğik düzlemde iş prensibi geçerlidir.
    Kuvvet . Kuvvet yolu = Yük . Yük yol
    F . l = P . h
    [​IMG]

    Kuvvet yolu, kuvvete paralel olan S yolu, yük yolu ise, yüke paralel olan h yoludur. Kuvvetten kazanç sağlanır. Fakat aynı oranda yoldan kayıp olur.

    ÇIKRIK
    Dönme eksenleri aynı yarıçapları farklı iki silindirin oluşturduğu sisteme çıkrık denir.
    Şekilde görüldüğü gibi yük, yarıçapı küçük olan silindirin çevresine dolanan ipin ucuna asılır. Kuvvet ise, silindire bağlı kolun ucuna uygulanır.
    Yük ve kuvvet arasındaki ilişki;
    F . R = P . r dir.
    R > r olduğundan kuvvetten kazanç vardır.
    [​IMG]

    Daha küçük F kuvveti ile dengede tutmak veya yükü sabit hızla çıkarmak için [​IMG] oranını küçültmek gerekir.
    Et kıyma makinesi, el matkabı, araba direksiyonu, tornavida, kapı anahtarı gibi araçlar çıkrığa örnektir.

    DİŞLİLER
    Dişli çarklar, üzerinde eşit aralıklarla dişler bulunan ve bir eksen etrafında dönebilen silindir şeklindeki basit makinedir. Dişler çarkların birbirine geçmesini sağlar. Dişlilerden birine uygulanan kuvvet dişler yardımı ile diğerine iletilir. Dişlilerin çalışma prensibi çıkrığınkine benzer.
    Eş merkezli dişliler birbirine perçinli olduğu için hep aynı yönde dönerler ve devir sayıları da eşittir.

    Şekildeki gibi birbirine temas halinde olan dişliler için, her bir dişli bir öncekine göre,
    [​IMG]
    1. Zıt yönlerde dönerler. Dolayısıyla K ve M aynı yönde döner.
    2. Devir sayıları yarıçapları ile ters orantılıdır.
    3. K ve M nin aralarındaki devir sayıları oranı L nin yarı çapına bağlı değildir.
    Devir sayıları f1 ve f3 olarak kabul edelirse, K ve M dişlilerinin devir sayıları arasındaki ilişki;
    f1 . r1 = f3 . r3 olur.

    KASNAKLAR
    Kasnaklar dişleri olmadığı için kayış ya da iple birbirlerine bağlanırlar.
    Devir sayıları yine yarı çapları ile ters orantılıdır.

    f1 . r1 = f2 . r2

    Dönme yönleri ise, şekilde görüldüğü gibi kayışların bağlanma şekline göre değişir.
    [​IMG]

    Birbirini döndüren dişli ve kasnaklarda, dönme sayısı ile yarı çapların çarpımı eşittir.

    VİDA
    Vida, iki yüzeyi birbirine birleştirirken, en çok kullanılan, basit makinelerden birisidir. Vidada iki diş arasındaki uzaklığa vida adımı denir. Vidayı tahtaya vidalamak için tornavida ile kuvvet uygulayarak döndürmek gerekir.
    Vida başı bir tam dönüş yaptığında vida, vida adımı (a) kadar yol alır. N kez döndüğünde ise N . a kadar yol alır.
    [​IMG]

    Vidayı döndürmek için uygulanan F kuvvetinin yaptığı iş, vida tahtaya girerken [​IMG] direngen kuvvetinin yaptığı işe eşittir.
    İş prensibinden
    Kuvvet . Kuvvet yolu = Yük . yük yolu

    3F . 2pr = R . a dır.

    Vidanın baş kısmı daire olduğu için bir turda kuvvet yolu dairenin çevre uzunluğu kadar (2pr) olur.
    Bunların yanı sıra kama, tekerlek gibi iş kolaylığı sağlayan basit makine çeşitleri de vardır.
     
    Son düzenleme: 17 Ekim 2011

Sayfayı Paylaş