TEKNOLOJİNİN BİLİMSEL İLKELERİ

8
İŞ-GÜÇ-ENERJİ
TEKNOLOJİNİN BİLİMSEL İLKELERİ
Adem ÇALIŞKAN
İŞ-GÜÇ-ENERJİ
İŞ
Mekanikte iş, kuvvet ile bu kuvvetin vektörel yer değişiminin skaler
çarpımı olarak tanımlanır. Genel olarak İngilizce "WORK" kelimesinin ilk
harfi olan "W" harfi ile gösterilir. Diferansiyel olarak F kuvvetinin sıfırdan
büyük, ancak sonsuz küçük bir yer değiştirmesi "ds" söz konusu
olduğunda yapılan iş , dW = F . Ds dW = (Fcos a).ds şeklinde ifade
edilir. Burada F kuvvet vektörünü, "s" de yer değiştirmeyi göstermektedir.
Burada a iki vektör arasındaki açıdır.
Bu bağıntıdan yararlanarak örneğin
bir ağırlığın kaldırılması, bir yayın
gerilmesi gibi değişik fizik ve
mühendislik problemlerinde yapılan
iş hesaplanabilmektedir.
Adem ÇALIŞKAN
2
İŞ-GÜÇ-ENERJİ
İŞ
İş yapan kuvvet, işin yapıldığı yol
boyunca sabit bir değere sahip olmak
zorunda değildir. Yay gerilmesi
örneğinde olduğu gibi kuvvet yer
değiştirmeye bağlı olarak değişebilir.
Kuvvetin ötelenmeden
bağımlı olması durumunda
yapılan iş
F=k.s
Burada "k" yaya ait gerilim direnci ve "s" de yer değiştirmedir. Sonuç
olarak iş yer değiştirmenin karesinin bir fonksiyonu olarak karşımıza
çıkmaktadır.
Yukarıdaki yay örneğinde, kuvvet vektörü ile öteleme aynı yönde
oldukları için a = 0 olur.
1 ve 2 durumları için iş ifadesi;
W1= F1 . s1 =k .(s1)2
W2= F2 . s2 =k .(s2)2
Adem ÇALIŞKAN
3
İŞ-GÜÇ-ENERJİ
İŞ
İSO birim sisteminde işin birimi: Newton x Metre
= Joule' dür ve kısaca "J" harfi ile gösterilir. İş
enerjinin
geçebilen
şekli
olarak
da
tanımlanabilmektedir. Ancak madde işe sahip olamaz.
Diğer bir değimle iş maddeye geçerken gözlenebilir,
ancak madde tarafından depolanamaz.
İş ile enerjinin aynı özellikte, yani aynı birimde
olmaları,
bu
iki
olgunun
bir
birlerine
dönüşebilecekleri düşüncesini de ortaya koymaktadır.
Yapılan bir iş, işlev bittiğinde mutlaka bir enerji
türüne dönüşmektedir.
Adem ÇALIŞKAN
4
İŞ-GÜÇ-ENERJİ
İŞ
Burada şu örnekler verilebilir:
•Bir sürtünme kuvvetinin yer değiştirmesi ile yapılan iş,
sürtünen yüzeylerde ısı enerjisine dönüşür ve söz
konusu yüzeylerin sıcaklığının artması şeklinde
hissedilir.
•Bir kütleye etki eden yer çekim kuvvetinin yer
değiştirmesi ile yapılan iş, sonunda bu kütlenin sahip
olduğu potansiyel enerjideki değişime eşittir.
•Bir yayın gerilmesi sırasında yapılan iş ise gerilim
şeklinde yayın iç enerjisindeki değişime neden
olmaktadır.
Adem ÇALIŞKAN
5
İŞ-GÜÇ-ENERJİ
İŞ
Burada şu örnekler verilebilir:
•Bir bisiklet dinamosunun döndürülmesi sırasında
yapılan iş önce dinamo tarafından elektrik enerjisine
dönüştürülürken, oluşan elektrik enerjisi de bir lamba
tarafından ışık ve ısı enerjisine dönüştürülmektedir. Bu
son örnekten de anlaşılacağı üzere yer değiştirmeler her
zaman öteleme şeklinde olmak zorunda değildir.
Dairesel yer değiştirmeler de söz konusu olabilir. Bu
durumda bir kuvvet çiftinin meydana getirdiği dönme
hareketi ile iş yapılmış olur.
Adem ÇALIŞKAN
6
İŞ-GÜÇ-ENERJİ
İŞ
Burada açı radyan cinsinden ölçülmelidir. Bir tam tur dönme
sırasında radyan kadar açı süpürüldüğü için
kadar iş yapılmış olur.
Bir kuvvet çiftinin yaptığı iş
W= F.R.2π
Bir
önceki
bölümde
sık
bahsettiğimiz
enerji
kavramını
mekanikte iş yapabilme yeteneği
olarak tarif etmek mümkündür.
Ancak burada önemli bir ayrıntıyı
göz ardı etmemek gerekir. Her
yapılan iş sonunda bir tür enerjiye
dönüşürken, her tür enerjinin işe
dönüşme gibi bir zorunluluğu
yoktur.
Adem ÇALIŞKAN
7
İŞ-GÜÇ-ENERJİ
İŞ
Enerji türlerinin bazıları şu şekilde sıralanabilir:
1.Kinetik enerji
Bu bölümde, işi hareket 2.Potansiyel enerji
enerjisine, yani kinetik 3.Isı enerjisi
enerjiye bağlayan bir 4.Elektrik enerjisi
teorem çıkaracağız. Bu 5.Kimyasal enerji
"İş-Enerji Teoremi" bize,
Newton'un ikinci yasasına göre a= F/m olduğundan
ne kadar karmaşık bir parçacığın 1 konumundan 2 konumuna giderken yer
hareket yapılırsa yapılsın değiştirmesi "s" ise ve hızı v1' den v2 ' ye değişiyorsa,
bir parçacığın hızını bilindiği üzere: sabit ivmeli hareket için, v22 -v12= 2a (s)
konumuna bağlayan bir eşitliği yazılabilir. Bu formülde a= F/m eşitliği yerine
konursa F (s) = m/2 (v22 -v12 ) ifadesi bulunur. Burada
ifade sağlayacaktır.
sol taraf bir iş ifadesidir ve sağ taraf ise m kütlesine
sahip parçacığın kinetik enerjisindeki değişimi
vermektedir. Sonuç olarak bir parçacığa etki eden
kuvvet tarafından yapılan iş bu parçacığın kinetik
enerjisindeki değişikliğe eşittir. Diğer enerji türlerini de
benzer şekillerde bir iş ifadesi ile bir birlerine bağlamak
mümkündür.
Adem ÇALIŞKAN
8
İŞ-GÜÇ-ENERJİ
ENERJİ
Yan tarafta görülen sarkaç, yaptığı salınım
hareketleri sırasında farklı hızlara sahip
olduğu için kinetik enerjisinde bir değişim
meydana gelmektedir. Diğer taraftan
sarkacın kütlesine bir yer çekim kuvveti
etki etmekte ve bu kuvvet h kadar yer
değiştirmektedir. Burada yapılan iş:
W= m . g . h
Salınım yapan bir sarkaçta enerji
dönüşümleri
Yapılan bu işe kütle sahip olamayacağına göre, buna eşdeğer bir enerjinin
oluşması gerekmektedir. Bu da "h" kadar yükselen sarkacın kazandığı
potansiyel enerjidir ve aynı niceliğe sahiptir.
Adem ÇALIŞKAN
9
İŞ-GÜÇ-ENERJİ
GÜÇ
Mekanikte güç, birim zamanda yapılan iş olarak tanımlanır. "t"
süresi içinde "W" işi yapılmış ise, iş yapan bu yeteneğin gücü;
P= W/t
şeklinde ifade edilir.
Bu ifadenin kapsamını sadece iş olarak sınırlamak, yukarıda
belirlenen iş ve enerji dönüşümleri göz önünde
bulundurulduğunda, yetersiz kalmaktadır. Aynı şekilde tüm
enerji türleri için benzer şekilde bir güç tanımı yapmak
mümkündür. Sık rastlanan ısıl güç kavramı buna bir örnek
olarak verilebilir. "t" süresinde herhangi bir ısı kaynağından "Q"
ısı enerjisi veriliyorsa bu kaynağın ısıl gücü;
Pısıl = Q/t
olarak ifade edilir. Birimi [Joule/ saniye] = [Watt]
olup kısaca "W" olarak gösterilir.
Adem ÇALIŞKAN
10
İŞ-GÜÇ-ENERJİ
VERİM
Bir sisteme herhangi bir enerji verilir. Verilen bu
enerjinin bir kısmı sistemdeki sürtünmeler ve enerji
kaçakları sonucunda kayba uğrar. Ve sistemden bir
enerji çıkışı olur, yani sistem yapmayı tasarladığımız
işi yapar. Ancak çıkan enerjinin giren enerjiden az
olacağı açıktır. İşte Çıkan enerjinin giren enerjiye
oranı sistemin verimi olarak ifade edilir ve bu oranın
hiçbir zaman %100 olmayacağı anlaşılmaktadır.
Verim= Çıkan enerji/giren enerji
Adem ÇALIŞKAN
11
İŞ-GÜÇ-ENERJİ
Bir sisteme 100 birimlik bir enerji verilmiş olsun.20 birim enerji
sürtünmeler nedeniyle kaybolmuş ve sistem bize 80 birim enerjilik bir iş
yapmış olsun. Bu durumda sistemin verimini bulunuz?
Verim= Çıkan enerji/giren enerji=80/100= 0,80 Yani % 80 olmaktadır.
Bir vinç 300 kg kütlesi olan bir yükü 7 saniyede 16 m yüksekliğe
kaldırmaktadır. Bu vincin bu işi yapabilmesi için ( %87 Verimli )
motorunun gücü en az ne kadar olmalıdır? Yer çekimi ivmesi 9,81 m/s2
olarak verilmiştir.
Önce vincin yapmış olduğu işi hesaplayalım:
Etki eden kuvvet yer çekimi kuvvetidir.
F= m . g = 300 . 9,81 = 2943 [N]
Bu kuvvetin ötelenmesi (yer değiştirmesi) 16 m olduğuna göre yapılan iş;
W= F. s = 2943. 16 = 47088 [J] olarak bulunur. % 87 verimli 54124,14 J
Gücün tarifi birim zamanda yapılan iş olduğuna göre ve yukarıdaki
iş 7 saniyede yapıldığından,
P= W/t =47088/7 = 6726,85 [Watt] olarak bulunur. 6,72685 kW
% 87 verimli 7732 Watt
7,732 kW
Adem ÇALIŞKAN
12
ÖDEV
Kitabınızın 135 . Sayfasındaki
değerlendirme
sorularının
açıklamalı çözümlerini yapınız.
Adem ÇALIŞKAN
13