Fizik I · 7. Ünite: İş ve Enerji

Değişken Kuvvetin Yaptığı İş

Gerçek sistemlerde kuvvet çoğu zaman sabit değildir: yay uzadıkça kuvvet büyür, uydu Dünya'dan uzaklaştıkça çekim zayıflar, lastik bir bant gerildikçe sertleşir. Bu konuda işin tanımını konuma bağlı kuvvetler için $W = \int F(x)\,dx$ tümlevine genişletecek, tümlevin kuvvet–konum grafiğinin altındaki alan olduğunu görecek ve Hooke yayı için $W = \tfrac{1}{2}k x^2$ ifadesini türeteceksiniz.

Öğrenme hedefleri

Konu anlatımı

  1. Bağlam: Kuvvet konuma bağlı olduğunda

  2. Tanım: tümlev ve grafik altındaki alan

  3. Çözümlü örnekler

  4. Grafik ve tablo yorumu

  5. Sık yapılan hatalar ve kavram yanılgıları

  6. Özet ve bağlantılar

Anahtar terimler

Değişken kuvvet (variable force)
Büyüklüğü ya da yönü konuma (ya da zamana) bağlı kuvvet; işi tümlevle hesaplanır.
Belirli tümlev (definite integral)
Riemann toplamının limiti; $\int_{x_i}^{x_f}F\,dx$ iş büyüklüğünü verir.
Hooke yasası (Hooke's law)
İdeal yayın geri çağırıcı kuvveti $F_s = -kx$; uzamayla doğru orantılıdır.
Yay sabiti (spring constant)
$k$, yayın sertliğini belirten katsayı; birimi N/m.
Ortalama kuvvet (average force)
$F_{ort} = W/\Delta x$; doğrusal değişimde ilk ve son değerin aritmetik ortalamasıdır.
Sertleşen / yumuşayan yay
Uzama arttıkça sertlik artan ($\beta > 0$) ya da azalan ($\beta < 0$) doğrusal olmayan yay.
Yamuk kuralı (trapezoidal rule)
Deneysel verilerden alanı sayısal tümlevlemek için $\sum\tfrac{1}{2}(F_j + F_{j+1})\Delta x_j$ yöntemi.

Örnek soru

Yay sabiti $k = 300\,\text{N/m}$ olan ideal bir yay, rahat konumundan $0{,}20\,\text{m}$ gerilirken dış kuvvetin yaptığı iş kaç joule'dür?

  1. $12$
  2. $30$
  3. $60$
  4. $3$
  5. $6$

Doğru cevap: E

Çözüm

1. Yavaş germede $F_{dış} = kx$; $W = \int_0^{x}kx'\,dx' = \tfrac{1}{2}kx^2$.
2. $W = \tfrac{1}{2}(300)(0{,}20)^2 = 150 \times 0{,}04 = \mathbf{6\,J}$.
Çeldiriciler: $12\,\text{J}$ yarım çarpanını unutmaktır ($kx^2$); $60\,\text{J}$ son kuvvet ($kx = 60\,\text{N}$) ile çarpımın sayısal değerini işe karıştırmaktır; $30\,\text{J}$ $\tfrac{1}{2}kx$ ifadesinde kareyi unutmaktır; $3\,\text{J}$ uzamayı $0{,}1\,\text{m}$ almaktır.

Fizik I: tüm konular