Fizik I · 8. Ünite: Enerjinin Korunumu

Kütleçekim Potansiyel Enerjisi ve Kaçış Hızı

Yer yüzeyinden uzaklaştıkça yerçekimi ivmesi azalır; bu yüzden $mgh$ ifadesi büyük yüksekliklerde yetersiz kalır ve doğru potansiyel enerji $U = -GMm/r$ olur. Bu ifade, bir cismin gezegenin çekiminden kurtulması için gereken en küçük hızı (kaçış hızı) ve uydunun bağlı olduğu yörüngenin enerjisini enerji korunumuyla hesaplamamıza izin verir. Bu konunun sonunda negatif potansiyel enerjinin anlamını yorumlayacak, Dünya, Ay ve diğer gök cisimleri için kaçış hızını hesaplayacak ve toplam enerjinin işaretinden bir cismin bağlı ya da serbest olduğunu belirleyeceksiniz.

Öğrenme hedefleri

Konu anlatımı

  1. Bağlam: Roketin Dünya'dan Ayrılması

  2. Kütleçekim Potansiyel Enerjisinin Türetilmesi

  3. Çözümlü Örnekler

  4. Karşılaştırma Tablosu ve Simülasyon

  5. Sık Yapılan Hatalar ve Kavram Yanılgıları

  6. Özet ve Bağlantılar

Anahtar terimler

Kütleçekim potansiyel enerjisi
İki kütle arasında $U=-GMm/r$ ile verilen, sonsuzda sıfır alınan potansiyel enerji.
Kaçış hızı (escape velocity)
Bir cismin çekim alanından sonsuza dek kurtulması için gereken en küçük hız, $\sqrt{2GM/r}$.
Bağlı sistem
Toplam enerjisi negatif olan, cismin çekim alanında kalmak zorunda olduğu sistem.
Dairesel yörünge hızı
Çekimin merkezcil kuvveti sağladığı $v_c=\sqrt{GM/r}$ hızı.
Toplam enerji ($E$)
$K+U$; çekim alanında sabit ve işareti yörünge türünü belirler.
Sonsuzdaki hız ($v_\infty$)
Kaçış hızından büyük fırlatmada, çok uzakta kalan hız: $\sqrt{v^2-v_k^2}$.
Dönüm noktası (apojee)
$E<0$ için $K=0$ olan en büyük uzaklık noktası.
Schwarzschild yarıçapı
Kaçış hızının ışık hızına eşit olduğu $2GM/c^2$ yarıçapı.

Örnek soru

Kütleçekim potansiyel enerjisi $U = -GMm/r$ ifadesindeki negatif işaret neyi gösterir?

  1. Sonsuzda $U=0$ seçildiğinden, sistemin bağlı olduğunu ve cismi sonsuza götürmek için dışarıdan iş gerektiğini
  2. Çekim kuvvetinin itici olduğunu
  3. Kütlenin negatif olduğunu
  4. Enerjinin korunmadığını
  5. Cismin hızının merkeze doğru olduğunu

Doğru cevap: A

Çözüm

1. Çekim kuvveti $r$ azalırken pozitif iş yapar; $r\to\infty$'da $U=0$ seçilince tüm sonlu $r$ için $U<0$ olur.
2. Negatif $U$ bağlılığın ölçüsüdür: sistemi sonsuza götürmek için $+GMm/r$ iş gerekir.
3. Kuvvetin itici olduğu sonucu işaretin yanlış yorumudur; kuvvet çekicidir.

Fizik I: tüm konular