İş, Enerji, Güç

Günlük konuşmalarımızda her türlü bedensel ve zihinsel faaliyetler için iş yaptık deriz. Buradaki iş kavramı ile fizikte kullanılan iş kavramı arasında fark vardır. Örneğin. kitap okurken veya ders çalışırken bir enerji harcamamıza rağmen fizikte bu tip aktiviteler iş olarak tanımlanmaz. Benzer şekilde enerji kavramı ile güç kavramı da günlük yaşantımızda birbirine karıştırılan kavramlardandır.

Bir cisim, F kuvvetinin etkisi altında yer değiştiriyorsa kuvvet cisim üzerinde iş yapmıştır denir. A konumunda bulunan bir cisim üzerine, F gibi bir kuvvet uygulayalım. Cisim bu kuvvetin etkisiyle r kadar yer değiştirmeye uğrayıp B konumuna gelmiş olsun. Bu durumda F kuvvetinin yaptığı iş (W) : W = Fr cos a (5.1) eşitliğiyle tanımlanır. Burada a, kuvvet (F) ile yer değiştirme (r) vektörleri arasındaki açıdır. Buna göre;
a) Cismin yer değiştirmesi uygulanan kuvvetle aynı yönde değişiyorsa a açısı dar açı olacağından, cos a değeri pozitif olur, bu nedenle de iş pozitif değer alır.
b) Cismin yer değiştirmesi uygulanan kuvvetin yönüne göre ters yönde ortaya çıkıyorsa a açısı geniş açı olacağından cos a değeri negatif olur, bu nedenle iş negatif değer alır.
c) Cismin yer değiştirmesi ile uygulanan kuvvetin aralarındaki aç› dik ise işten bahsedilemez. Yani a = 90° ve cos90= 0 olacağından sistem iş yapmaz.

Pozitif iş: Kuvvet ile cismin yer değiştirmesi aynı yönlü ise yapılan iş pozitiftir.
Negatif iş: Kuvvet ile cismin yer değiştirmesi zıt yönlü ise yapılan iş negatiftir.

İş yapabilme yeteneğine enerji denir. Cisim üzerine yapılan iş cismin mekanik enerji değişimine eşittir. Hareket eden bir cisim, masa üzerindeki bir kitap, bardaktaki su vb. bir cisim veya sistemin mevcut enerjisi varsa, iş yapabiliyor demektir. Cisim veya sistem iş yaparak enerjisini harcar ve bu enerji başka enerji şekillerine (ısı, ışık, mekanik, kimyasal, elektrik ve nükleer enerji vb.)
dönüşebilir. Bu nedenle iş ve enerji birimleri aynıdır. (joule veya erg). Enerji de iş gibi skaler bir büyüklüktür.

Kinetik enerji, cismin hızından ötürü sahip olduğu enerjidir. Kinetik enerji cismin sahip olduğu hızın doğrultusundan bağımsız her zaman pozitif değer alır.

Potansiyel enerjiyi her an iş yapabilecek (iş yapabilme potansiyeline sahip) enerji olarak tarif edebiliriz. Cismin bulunduğu ortamın veya bağlı bulunduğu düzeneğin durumu sonucunda ortaya çıkar. Potansiyel enerji cismin hareket ettiği ortamda cisim olsa da olmasa da sürekli bulunan kuvvetlere karşı yapılan iş olarak da tarif edilir. Yerçekiminin olduğu bir ortamda, çekim kuvvetinin cisim üzerinde yaptığı iş potansiyel enerji olarak tanımlanır.

Önce yerçekimine karşı yapılan işin karşılığı olan işe örnek verelim. Ev arkadaşınızla marketten birer top aldınız. İkinci katta bulunan evinize siz merdivenleri, arkadaşlarınız ise asansörü kullanarak çıktı şimdi elinizdeki top üzerinde yerçekimi kuvvetlerine karşı harcanan enerjiyi bulalım. Topun kütlesini m olarak alırsak ağırlığı mg büyüklüğüne sahip olacak ve yönü aşağıya doğru olacaktır. İkinci katta bulunan evinizin yerden yüksekliği de h olarak verilsin. Asansörle de çıkılsa merdivenle de çıkılsa toplar, yerçekimi vektörünün yönünde aynı yüksekliğe (h) çıkarılmıştır. Merdivenlerdeki dönüşlerde fazladan gidilen yatay yollar yerçekimi kuvveti vektörü ile 90° açı yaptığından iş yapılmaz kabul edilir. İş yapılabilmesi için uygulanan kuvvetin cismin aldığı yol doğrultusunda bileşeni olmasını gerektiğini hatırlayın. Bu durumda yerçekimine karşı yapılan iş her iki durumda da aynıdır ve W = mgh olarak verilir. Bu iş topun kazandığı potansiyel enerjiye eşittir ve Ep = mgh bağlantısıyla verilir. Bu enerji m kütleli top üzerinde depolanmıştır ve top bu enerji ile iş yapma yeteneğine sahiptir ve cismin yüksekliğinden dolayı kazandırıyor. Bu enerjiye potansiyel enerji denir. Top yukarıdan bırakırsak aşağıya doğru hızlanır. Böylece sahip olduğu enerji kinetik enerjiye dönüşür. Yere çarptığı an potansiyel enerjinin tümü kinetik enerjiye dönüşmüş olur.

Esnek cisimler gergin veya sıkışık konumda iken, cismi eski konumuna getirecek kuvvetlerin cisim üzerinde yaptığı iş, esneklik potansiyel enerjisi olarak isimlendirilir. Bir sünger topu sıkıldıktan sonra tekrar eski konumuna gelmesi ya da bir yaya F kuvveti uygulanıp x kadar uzatıldıktan sonra yayın eski konumuna gelmesi esneklik potansiyel enerjisine birer örnektir.

Cismi çekerek yayı x kadar gerelim (yayın uzamaması durumdaki konumunu sıfır aldık). Bu durumda yay tekrar eski konumuna gelmeye çalışır ve yayda F kuvveti doğar. Bu kuvvete geri çağrıcı kuvvet denir. Geri çağrıcı kuvvetin uzama miktarına bağlı değişimi oluşur.

Enerji ne yoktan var edilebilir ne de varken yok edilebilir, fakat bir formdan başka bir forma dönüşebilir. Bu dönüşüm sırasında toplam enerji daima aynı kalır, değişmez. Bir kinetik enerji potansiyel enerjiye ya da sürtünme kuvvetlerin yaptığı işe harcanabilir. Belirli bir hızla giden aracın frene basıp durması sırasında aracın hızından dolayı sahip olduğu kinetik enerji, sürtünme kuvvetlerinin yaptığı işe dönüşmüştür. Şimdi ikinci kata taşıdığımız top örneğimize tekrar dönelim.
Elimizdeki topu pencereden aşağıya doğru bırakalım. Bu durumda pencereden bıraktığımız anda ilk hızı sıfır olan topumuz herhangi bir düşüşte dahi belirli bir hıza kavuşacaktır. Başka bir deyişle yukarıya çıkartılırken topa kazandırılan potansiyel enerji kinetik enerjiye dönüşecektir. Yani topun potansiyel enerjisi azalırken kinetik enerjisi artacaktır. Bu durumun tersi de mümkündür. Top düşey ilk hızla yerden yukarıya doğru fırlatılırsa, yükseldikçe topun kinetik enerjisi azalırken potansiyel enerjisi artar.

Güç birim zamanda yapılan iş miktarı olarak tanımlanır. Güç birimi watt’tır. Verim, makineden alınan gücün makineye verilen güce oranı olarak tarif edilir.

Bir cismin hızından dolayı sahip olduğu enerjiye kinetik enerji, durumu ve konumundan dolayı sahip olduğu enerjiye potansiyel enerji denir. Kütlesi m, hızı v olan cismin kinetik enerjisi eşitliğiyle verilir.
Ek = ½ mv2 Yerden h kadar yükseklikte bulunan m kütleli bir cismin yere göre sahip olduğu potansiyel enerji Ep = mgh ifadesiyle, orijinal konumundan x kadar gerilmiş veya sıkılmış kuvvet sabiti k olan yaydaki esneklik potansiyel enerjisi ise Eyay =1/2 kx2 bağıntısıyla verilir.

Güç birim zamanda yapılan iş miktarıdır. Yapılan iş ise harcanan veya depolanan enerji miktarına eşittir. Güç, kuvvet ile hız vektörünün büyüklüğü ile her iki vektörün arasındaki açının kosinüsü çarpımına eşittir. Yürüyüş yapanlar aynı mesafeyi aynı zamanda yürüdüklerine göre hızları aynıdır. Fakat kütleleri farklı olduğu için kuvvet farklıdır, kütlesi fazla olanın daha fazladır. Enerji için ise
kütlesi fazla olanın daha fazla iş yaptığı hemen söylenebilir. Bu durumda kütlesi fazla olan kişilerin harcadıkları enerji ve güç fazladır.
Diyet yapmaya yeni başlayan kişilerin kütleleri fazla olduğu için enerji harcama (kilo verme) daha hızlı olur. Kütleleri azaldıkça aynı mesafeyi yürüdükleri halde aynı enerji harcanmaz.
Enerji gereksinim olmaması verimin bir veya daha büyük olmasına karşı gelir ki bu durum fizikte şu ana kadar öngörülen teoremlere aykırıdır. Verilen güç alınan güce eşit olmaz. Halk arasında verilen güç ya da enerji olarak elektriksel veya petrol türevlerinin kuvvetlerinden elde edilen enerji öngörülmektedir. Fakat doğada var olan doğal kuvvetlerin varlığı unutulmaktadır. Bunların başında pusulanın saptırmasını sağlayan dünyanın manyetik alan kuvveti, sabit mıknatısların manyetik alan kuvveti, yerçekimi kuvveti ve dünyanın kendi ekseni etrafında dönmesinden kaynaklanan kuvvet gibi kuvvetler gelir. Bu kuvvetlerin kullanılması verimi arttırır.