Potansiyel ve Kinetik Enerji Nedir?

Enerji Nedir? ve Enerji Türleri Nelerdir?

Fizikte enerji bir cismin veya sistemin iş yapabilme yeteneği veya kapasitesi olarak tanımlanmaktadır. Kurulmuş bir sistemde (düzende) toplam enerji hiçbir zaman değişmez (yoktan var vardan da yok edilemez) ancak şekil değiştirip başka enerji türlerine dönüşebilir.

Enerjinin birçok türü olup bunlardan en bilinenleri; Potansiyel enerji, kinetik enerji, ısı enerjisi, ışık enerjisi, elektrik enerjisi, kimyasal enerji ve nükleer enerjidir. Biz burada en çok karşımıza çıkan ilk iki sıradaki potansiyel ve kinetik enerjiyi inceleyeceğiz.

İş Nedir?

Bir cisme etki eden bir kuvvetin o cisme etki ettiği doğrultuda ve yönde yer değişikliği sağlaması fizikte iş olarak kabul edilmektedir. Örneğin elinde çanta ile evden okula giden veya okuldan eve gelen bir öğrenci çantaya karşı bir iş yapmış sayılmaz. Öğrenci yer çekimi kuvvetinin yönü ile ters yönde (yukarı doğru) ve en az yer çekimi kuvveti büyüklüğünde bir kuvveti (ağırlık) evden okula gidinceye kadar veya okuldan eve gelinceye kadar çantaya uygular. Ancak öğrencinin elindeki çanta, uygulanan kuvvetin yönünde ve doğrultusunda yani yukarı doğru değil de yatay olarak hareket eder ve bu da yukarıda belirtmiş olduğumuz iş tanımına uymaz. Bir sandığı iten bir işçi ise bir iş yapmış sayılır. Çünkü sandık işçinin uyguladığı kuvvetin yönü ve doğrultusunda yatay olarak hareket eder.

İşin Formülü

İş = Net Kuvvet . Yer Değiştirme Miktarı

W = F . Δx . cosθ

F: Kuvvet (Newton)

Δx: Yer Değiştirme Miktarı (metre)

W: İş (Joule)

Örnek

Bir sandığa 25 Newton'luk bir kuvvet uygulayarak 10 metre boyunca iten bir kişi ne kadarlık bir iş yapmış sayılır? (Ortam sürtünmesiz kabul edilecektir.)

Cevap

W = F . Δx

W = 25 N . 10 m

W = 250 N . m = 250 J

Potansiyel Enerji Nedir?

Bir cisimde veya sistemde depolanmış durumda bulunan, her an kullanılmaya hazır (kullanılma potansiyeli olan) ve başka bir enerji türüne dönüşebilen (örneğin kinetik enerji) gizli durumdaki (saklı durumdaki) enerjiye potansiyel enerji denir.

Potansiyel Enerjiye Günlük Hayattan Örnekler

Çatıdan kopan bir kiremidin yere düşmesi kiremitte depolanmış durumda bulunan ve dışarıdan bakıldığında çıplak gözle görülmesi mümkün olmayan bir enerjiden kaynaklanmaktadır. Kiremit yere düşerken yer değiştirdiği (hareket ettiği) için bir iş yapar. Bir cismin iş yapabilmesi için bir enerjisinin olması gerekir. Kiremitte bulunan ve her an kullanılmaya hazır (kullanılma potansiyeli olan) bu enerjiye potansiyel enerji denir. Yukarıdaki kiremit örneğinden devam edersek kurulmuş bir sistemde (evren, kâinat) enerji yoktan var vardan da yok edilemeyeceğine göre kiremidin sahip olduğu bu enerjinin (potansiyel enerji) kaynağı nedir? Çatıdaki kiremitler kendi kendilerine oraya çıkamayacaklarına göre önceden onları oraya birinin veya birilerinin taşımış olması gerekir. Kiremitleri çatıya çıkarırken yer çekimi kuvvetine karşı (yer çekimi kuvvetini yenmek için) bir iş yapılır. Çünkü kiremitlerin yukarıya kadar çıkabilmeleri için bir enerjilerinin olması gerekir. Böylece kiremitler kendilerini yukarı taşıyan kişiler sayesinde bir enerji kazanmış olurlar. Çatıdan kayarak yere düşen kiremitler işte bu enerji sayesinde (bu enerjiyi kullanarak) yere düşerler. Kiremit yere düşerken sahip olduğu potansiyel enerjisi hareket enerjisine (kinetik enerjiye) dönüşür. Kiremit yere düşerken potansiyel enerjisi giderek azalırken kinetik enerjisi ise giderek artar.

Esnek durumdaki bir yayı bir kuvvet uygulayarak sıkıştırtığımızda yaya bir enerji yüklemiş oluruz. Yayda depolanmış durumda bulunan ve dışarıdan bakıldığında fark edilmeyen bu enerjiye potansiyel enerji denir. Ancak sıkıştırılmış durumdaki yay tekrar kendi haline bırakılırsa sahip olduğu bu potansiyel enerjiyi kullanarak tekrar ilk konumuna (eski haline) gelir.

Potansiyel enerjiye bir başka örnek olarak masa da oturan bir adamın elini kaldırım masaya vurmasını gösterebiliriz. İlk başta adam hareketsiz bir şekilde durmaktadır. Ancak elini kaldırıp masaya vurması onun bir enerjisi olduğunu gösterir. İşte dışarıdan bakıldığında fark edilemeyen (anlaşılamayan) ancak kullanıldığında (bir harekete neden olduğunda) fark edilebilen bu gizli enerjiye potansiyel enerji denir.

Potansiyel Enerjinin Formülü

Yerden belirli bir yükseklikte bulunan bir cismin sahip olduğu potansiyel enerjiyi aşağıdaki şekildeki gibi hesaplayabiliriz.

Potansiyel Enerji = Kütle . Yer Çekimi İvmesi . Yükseklik

Ep = m . g . h

m: Kütle (kilogram)

g: Yer Çekimi İvmesi (metre/saniye²)

h: Yükseklik (metre)

Ep: Potansiyel Enerji (Joule)

Yukarıdaki formülden (m ve g'nin değeri sabit) bir cismin potansiyel enerjisinin cismin referans noktasına olan uzaklığına (yüksekliğine) bağlı olarak değiştiği kolaylıkla anlaşılabilir. Örneğin birkaç metre yükseklikteki duvar veya çatıdan düşen bir kişinin el ve ayak kemiklerinin kırılabilme ihtimali bulunmakta iken; bir gökdelenin üst katlarından birinden düşen bir kişinin ise çok yüksek bir olasılıkla bütün kemikleri kırılır ve olduğu yerde ölür. Bunun sebebi yüksekte bulunan cisimlerin alçakta bulunan cisimlere göre daha fazla potansiyel enerjiye sahip olmaları ve dolayısıyla yere düşerken kinetik enerjilerinin ve hızlarının daha büyük bir değere ulaşmasıdır.

Örnek

Yerden 20 metre yükseklikteki bir binanın çatı katında bulunan 5 kg ağırlığındaki bir karpuzun yere göre potansiyel enerjisini hesaplayınız? (g = 9,8 m/s² alınacak.)

Çözüm

Ep = m . g . h

Ep = 5 kg . 9,8 m/s² . 20 m

Ep = 980 J

Kinetik Enerji Nedir?

Bir cismin hareketinden dolayı sahip olduğu enerjiye kinetik enerji denir. Evrende bulunan her şey (elektronlar, atomlar, moleküller, gezegenler, yıldızlar, galaksiler) sürekli olarak bir hareket halindedir. Evren'de varlığından haberdar olduğumuz ve olmadığımız her şeyin sürekli olarak bir hareket halinde olmasının temel nedeni bu şeylerin bir kinetik enerjisinin olmasıdır.

Kinetik Enerjinin Formülü

Hareket halindeki bir cismin kinetik enerjisini aşağıdaki şekildeki gibi hesaplayabiliriz.

Kinetik Enerji = 1/2 . Kütle . Hızın Karesi

Ek = 1/2 . m . v²

m: Kütle (kilogram)

v: Hız (metre/saniye)

Ek: Kinetik Enerji (Joule)

Yukarıdaki formülden bir cismin kinetik enerjisinin (m sabit) hızının karesi ile doğru orantılı olduğu kolaylıkla anlaşılabilir. Mesela bir bilyeyi elimizle birinin göğsüne fırlatırsak bir miktar acı hissi oluşturabilir ama ciddi bir yaralanmaya neden olmaz. Ancak bilyeyle aynı ağırlıktaki bir mermiyi bir tabanca ile birinin üzerine ateşlersek ölüme kadar varabilecek bir yaralanmaya neden olabiliriz. Bunun nedeni tabancadan atılan merminin el ile fırlatılan bilyeden daha büyük bir hıza sahip olmasıdır. Çünkü daha büyük bir hıza sahip olan bir cismin enerjisi daha fazladır ve çarptığı nesne üzerinde daha fazla hasara neden olur.

Örnek

20 m/s'lik Bir hızla gitmekte olan 3 kg ağırlığındaki bir cismin kinetik enerjisi ne olur?

Cevap

Ek = 1/2 . m . v²

Ek = 1/2 . 3 kg . (20 m/s)²

Ek = 1/2 . 3 kg . 400 m²/s²

Ek = 600 J

Potansiyel ve Kinetik Enerji Arasındaki İlişki

Yukarıdaki şekildeki m kütleli cisim A noktasından B noktasına gelinceye (çıkıncaya) kadar kinetik enerjisi giderek azalırken potansiyel enerjisi ise giderek artar ve B noktasına geldiğinde kinetik enerjisi 0 olur iken potansiyel enerjisi ise en yüksek değerine ulaşır. Cismimiz B noktasında iken kazanmış olduğu bu potansiyel enerjiden dolayı aşağı doğru hareket etmeye başlar ve C noktasına ulaştığında ise sahip olduğu potansiyel enerjisinin tamamı kinetik enerjiye dönüşür. (ortamın sürtünmesiz olduğu kabul edilecektir.)