If you're seeing this message, it means we're having trouble loading external resources on our website.

Bağlandığınız bilgisayar bir web filtresi kullanıyorsa, *.kastatic.org ve *.kasandbox.org adreslerinin engellerini kaldırmayı unutmayın.

Ana içerik

Enerjinin korunması nedir?

Enerji korunumunun ne olduğunu ve bunun problemleri çözmeyi nasıl kolaylaştırabileceğini öğrenin.

Enerjinin korunumu ilkesi nedir?

Fizikte korunum terimi, değişmeyen bir şeyi belirtir. Bu, bir denklemde, korunan bir niceliği temsil eden değişkenin zaman içerisinde sabit olduğu anlamını taşır. Bu değişken, olayın öncesinde ve sonrasında aynı değeri taşır.
Fizikte korunan birçok nicelik vardır. Bunlar normalde çok karmaşık olabilecek durumlar hakkında öngörüde bulunmak için büyük ölçüde işe yarar. Mekanikte korunan üç temel nicelik vardır. Bunlar enerji, momentum ve açısal momentumdur.
Eğer diğer makalelerdeki örneklere baktıysanız -örneğin, fillerin kinetik enerjisi- enerjinin korunan bir nicelik olması sizi şaşırtabilir. Çünkü çarpışmalarda enerji genellikle değişir, değil mi? Ancak buna eklememiz gereken birkaç önemli özellik var:
  • Bu makalede tartışacağımız gibi, enerji sözcüğü bir sistemin toplam enerjisini belirtir. Nesneler zaman içerisinde hareket ettiğinde, bunlarla bağlantılı enerji (örneğin kinetik, yer çekimi potansiyel, ısı) form değiştirebilir; ancak eğer enerji korunuyorsa toplam enerji aynı kalacaktır.
  • Enerjinin korunumu yalnızca izole sistemlerde uygulanabilir. Pürüzlü bir yüzeyde yuvarlanan bir top, yüzeyden izole edilmediği için enerjinin korunumu kanununa uymaz. Aslında yüzey, sürtünme yoluyla top üzerinde iş yapmaktadır. Buna karşın, eğer top ve yüzeyi birlikte düşünecek olursak enerjinin korunumu uygulanır. Genellikle bu kombinasyona top-zemin sistemi adını veririz.
Mekanik problemlerinde, genelde kinetik enerji (EK), yer çekimi potansiyel enerjisi (Ug), elastik—yay—potansiyel enerjisi (Us) ve ısı (termal enerji) (EH) içeren sistemlerle karşılaşırız. Bu gibi problemleri çözmeye, genelde bir başlangıç zamanı (i alt simgesi) ve daha sonraki bir zaman (f alt simgesi) arasındaki enerjinin korunumu belirlenerek başlanır.
EKi+Ugi+Usi=EKf+Ugf+Usf+EHf
Bu, şöyle genişletilebilir:
12mvi2+mghi+12kxi2=12mvf2+mghf+12kxf2+EHf

Burada sistem derken ne demek istiyoruz?

Fizikte sistem, denklemlerimizi modellemek için seçtiğimiz nesneler topluluğuna verdiğimiz isimdir. Eğer enerjinin korunumunu kullanarak bir nesnenin hareketini tarif edeceksek, sistem ilgilendiğimiz nesneyi ve onunla etkileşim halinde olan diğer bütün nesneleri içermelidir.
Pratikte bazı etkileşimleri göz ardı etmek zorunda kalırız. Bir sistemi tanımlarken, ilgilendiğimiz ve ilgilenmediğimiz şeylerin etrafına bir çizgi çizeriz. Dahil etmediğimiz şeyler genellikle topluca çevre olarak ifade edilir. Çevrenin bir kısmını göz ardı etmek kaçınılmaz bir şekilde hesaplamalarımızı daha yanlış yapar. Ancak bunu yapmada bir sakınca yok. Aslında iyi bir fizikçi olmak, tarif edilmesi gereken etkileri anlamak kadar, güvenli bir şekilde göz ardı edilebilecek etkileri de bilmek demektir.
Bir köprüden atlayış yapan bir insan problemini düşünelim. Bir sistem minimumdayken atlayıcıyı, ipi ve Dünya'yı içermelidir. Daha kesin bir hesaplamaya hava direnci yoluyla atlayıcıya karşı iş yapan havayı da dahil edebiliriz. Hatta daha ileriye giderek köprüyü ve temelini de dahil edebiliriz, ancak köprünün atlayıcıdan çok çok daha ağır olduğunu bildiğimizden, güvenli bir şekilde bunu göz ardı edebiliriz. Yavaşlayan bir atlayıcının kuvvetinin köprü için kayda değer bir etki yaratmasını beklemeyiz, özellikle de bu köprü bir sürü ağır aracı taşımak için tasarlanmışsa.
Birbirinden uzak nesnelerin arasında bile her zaman çok az da olsa bir etkileşim vardır, bu yüzden sistemimizin sınırlarını akıllıca seçmeliyiz.
Birbirinden uzak nesnelerin arasında bile her zaman çok az da olsa bir etkileşim vardır, bu yüzden sistemimizin sınırlarını akıllıca seçmeliyiz.

Mekanik enerji nedir?

Mekanik enerji EM, bir sistemdeki potansiyel enerji ile kinetik enerjinin toplamıdır.
EM=EP+EK
Sadece yer çekimi ve yay gibi korunumlu kuvvetlerde potansiyel enerji vardır. Sürtünme ve direnç gibi korunumsuz kuvvetlerde yoktur. Bir sisteme verdiğimiz enerjiyi her zaman korunumlu kuvvet yoluyla geri kazanabiliriz. Öte yandan, korunumsuz kuvvetlerle taşınan enerjiyi yeniden kazanmak zordur. Bu enerji genellikle ısı ya da başka bir biçimde sistemin dışına çıkar. Bir başka deyişle, enerji çevreye kaybedilir.
Bunun pratikteki anlamı şudur: Özel bir durum olan mekanik enerjinin korunumu, hesaplama yaparken genel enerjinin korunumunu kullanmaktan daha fazla işe yarar. Mekanik enerjinin korunumu sadece bütün kuvvetlerin korunumlu olduğu durumlar için geçerlidir. Neyse ki korunumsuz kuvvetlerin ihmal edilebilir olduğu ya da en azından ihmal ederken hala doğru bir tahminin yapılabildiği birçok durum vardır.

Enerjinin korunumu nesnelerin hareketini nasıl tarif edebilir?

Enerji korunuyorsa, bir sistemdeki farklı türdeki enerjilerin toplamlarını eşitleyen denklemler kurabiliriz. Daha sonrasında, enerjinin bağlı olduğu hız, uzaklık ve diğer parametrelerin değerini bulabiliriz. Değişkenler hakkında özgün bir çözüm bulacak kadar bilgimiz olmasa dahi, ilgili değişkenleri belirlemek çözümün hangi aralıkta olduğunu anlamamız konusunda işe yarayabilir.
Ay'da—kütleçekim ivmesi 1,625 m/s2— golf topuyla atış yapan bir golfçüyü düşünün. Bu arada, astronot Alan Shepard bunu gerçekten yapmıştır. Top golf sopasını Ay'ın yüzeyiyle 45'lik açı yapacak şekilde terk ediyor ve yatayda ve dikeyde 20 m/s —toplamda 28,28 m/s— hızla hareket ediyor. Golf topu ne kadar yükseğe çıkar?
Mekanik enerjiyi yazarak başlarız:
EM=12mv2+mgh
Mekanik enerjinin korunumu prensibini uygulayarak, h yüksekliğini bulabiliriz (kütlelerin birbirini götürdüğüne dikkat edin).
12mvi2=mghf+12mvf2
h=12vi212vf2g=12(28,28 m/s)212(20 m/s)21,625 m/s2=123 m
Görebildiğiniz gibi, enerjinin korunumu prensibini uygulamak, sadece kinematik denklemlerle yapıldığında çok daha zor olabilecek bu gibi problemleri çabucak çözmemizi sağlamaktadır.
Alıştırma 1: Topun, yakınlardaki 2 m. yüksekliğe çekilmiş bir Türk bayrağı ile beklenmedik bir şekilde çarpıştığını varsayalım. Çarpışma esnasında top ne kadarlık bir hızla hareket ediyordur?
Alıştırma 2: Aşağıdaki şekil küçük bir model roketin uçuşu sırasındaki kinetik, yer çekimi potansiyel ve mekanik enerjisini göstermektedir. Maksimum yükseklik, zirve, motorun durma süresi ve yakıtın bitmesi gibi özel noktalar grafikte işaretlidir. Roket uçuşu sırasında birçok korunumlu ve korunumsuz kuvvete maruz kalıyor. Uçuş esnasında roketin yalnızca korunumlu kuvvetlerin etkisi altında olduğu bir zaman var mıdır? Neden?
Küçük bir model roketin uçuşu esnasındaki enerji aktarımı [1].
Küçük bir model roketin uçuşu esnasındaki enerji aktarımı [1].

Devridaim makineleri neden asla çalışamaz?

"Devridaim makineleri" süratinde hiçbir azalma olmadan hareketine sonsuza kadar devam eden makineler için kullanılan bir kavramdır. Bu garip ve muhteşem makineler yıllar içerisinde sonsuz çeşitlilikte tarif edilmiştir. Kendi su başlıkları, dengelenmemiş kütleler vasıtasıyla kendilerini döndüren jantlar ve kendi kendini iten mıknatıs çeşitleri sayesinde kendi kendini çalıştıran pompalar içerirler.
Her ne kadar ilginç ve merak konusu olsa da, böyle bir makinenin sürekli oluşu ya da olabilmesi asla gösterilememiştir. Aslında, böyle bir makine var olsaydı çok da kullanışlı olmazdı. Makinenin iş yapabilme yeteneği olmazdı. Bu, enerjinin korunumu prensibini ihlal edecek şekilde, verilen enerjinin %100'ünden daha fazla çıktı ürettiği söylenen makinelerden farklıdır.
Mekaniğin en temel ilkelerine bakarsak, aslında hiçbir şey devridaim makinelerini imkansız kılmaz. Eğer bir sistem çevresinden tamamen izole edilirse ve bu sisteme sadece korunumlu kuvvetler etki ederse, enerji korunur ve sistem sonsuza kadar işler. Ancak problem şudur: Gerçekte bir sistemi tamamen izole etmenin yolu yoktur ve enerji bir makine içinde asla tamamen korunamaz.
Günümüzde enerji depolamak için vakum içinde son derece küçük sürtünme ile dönen volanlar yapmak mümkündür. Yine de volanlar enerji kaybederler ve bir süre sonra, bazen yıllar sonra, en sonunda dururlar [2]. Uzayda kendi ekseni etrafında dönen Dünya'nın kendisi belki de böyle bir makinenin uç bir örneğidir. Ancak Ay ile arasındaki etkileşimler, gelgit sürtünmesi ve diğer gök cisimleri nedeniyle Dünya da aşamalı olarak yavaşlamaktadır. Aslında, birkaç yılda bir bilim insanları gün uzunluğundaki değişimi hesaba katmak için zaman hesaplamamıza bir artık saniye eklemek zorunda kalırlar.

Kaynaklar:

[1] Şekil OpenRocket 15,03 kullanılarak yapılmıştır. Enerji hesapları için kullanılan özel ifadeler openrocket belgesinde detaylandırılmıştır.
[2] Abbasi, Tasneem. Renewable Energy Sources: Their Impact On Global Warming And Pollution. A.S.A., 2010. ISBN: 9788120339941

Tartışmaya katılmak ister misiniz?

Henüz gönderi yok.
İngilizce biliyor musunuz? Khan Academy'nin İngilizce sitesinde neler olduğunu görmek için buraya tıklayın.