Fizik I · 9. Ünite: Çizgisel Momentum

Çarpışmalarda Enerji ve Momentum Korunumu

Her çarpışmada toplam momentum korunur; kinetik enerji ise yalnızca bazı çarpışmalarda korunur. Bu konuda çarpışmaları enerji davranışına göre (esnek, esnek olmayan, tamamen esnek olmayan) sınıflandıracak, iki cismin ayrılma ve yaklaşma hızlarını ilişkilendiren esneklik katsayısı $e$'yi tanıyacak ve tek boyutta son hızları ve kaybolan kinetik enerjiyi $e$ cinsinden genel bir çözümle bulacaksın. Kütle merkezi çerçevesinde enerji kaybının neden yalnızca göreli harekete bağlı olduğunu ve $\Delta K = \tfrac12\mu(1-e^2)v_{göreli}^2$ bağıntısını türeteceksin.

Öğrenme hedefleri

Konu anlatımı

  1. Bağlam: Çarpışmada Neyin Korunduğunu Sormak

  2. Çarpışma Türleri

  3. Esneklik Katsayısı

  4. Kinetik Enerji Kaybı: Kütle Merkezi Çerçevesi

  5. Çözümlü Örnekler

  6. Grafik ve Simülasyon Yorumu

  7. Sık Yapılan Hatalar ve Kavram Yanılgıları

  8. Bağlantılar ve Özet

Anahtar terimler

Esnek çarpışma
Momentum ve kinetik enerjinin ikisinin de korunduğu çarpışma; $e = 1$.
Esnek olmayan çarpışma
Momentumun korunduğu, kinetik enerjinin bir kısmının ısı, ses ve deformasyona dönüştüğü çarpışma; $0 \le e < 1$.
Tamamen esnek olmayan çarpışma
Cisimlerin çarpışma sonrası aynı hızla birlikte gittiği, kinetik enerji kaybının en büyük olduğu çarpışma; $e = 0$.
Esneklik katsayısı (coefficient of restitution)
Ayrılma hızının yaklaşma hızına oranı, $e = (u_2 - u_1)/(v_1 - v_2)$.
İndirgenmiş kütle (reduced mass)
$\mu = m_1m_2/(m_1 + m_2)$; göreli hareketin kinetik enerjisinde kütle yerine geçer.
Göreli hız
İki cismin hız farkı, $v_g = v_1 - v_2$; çarpışmada $v_g \to -e\,v_g$ olur.
Kütle merkezi hızı
$v_{km} = (m_1v_1 + m_2v_2)/(m_1 + m_2)$; yalıtılmış sistemde çarpışmada değişmez.
Kinetik enerji kaybı
$\Delta K = \tfrac12\mu(1 - e^2)v_g^2$; ısı, ses ve deformasyona dönüşen enerji.

Örnek soru

Tamamen esnek olmayan bir çarpışmada çarpışma sonrası iki cisim için aşağıdakilerden hangisi doğrudur?

  1. Cisimler aynı hızla hareket eder ve toplam kinetik enerji korunur.
  2. Cisimlerin hızları çarpışmadan önceki hızlarının yer değiştirmesiyle bulunur.
  3. Toplam momentum azalır, çünkü kinetik enerji azalmıştır.
  4. Ayrılma hızı yaklaşma hızına eşittir.
  5. Cisimler aynı hızla hareket eder ve toplam momentum korunur.

Doğru cevap: E

Çözüm

1. Tamamen esnek olmayan çarpışmada $e = 0$ olduğundan $u_1 = u_2 = V$ (cisimler birlikte gider).
2. Dış itme ihmal edilirse momentum korunur: $m_1v_1 + m_2v_2 = (m_1 + m_2)V$.
3. Kinetik enerji korunmaz: maksimum miktarda kayıp vardır.
Diğer seçenekler esnek çarpışmanın ya da yanlış korunum düşüncesinin ifadeleridir: "ayrılma = yaklaşma hızı" $e = 1$'e, "hızların yer değiştirmesi" eşit kütleli esnek çarpışmaya aittir.

Fizik I: tüm konular