Potansiyel Enerjinin Kinetik Enerjiye Dönüşümü Deneyi

Bilmekte Fayda Var!

Enerji Nedir?

Bir cisme kuvvet uygulayarak hareket ettirdiğimizde bilimsel anlamda iş yaparız. İş yapabilme yeteneğine enerji denir.

Esneklik Potansiyel Enerjisi Nedir?

Yay ve lastik gibi esnek cisimlerin enerji depolama özelikleri vardır. Esnek cisimlerin sıkışık ya da gerginken sahip olduğu enerjiye (cisimde depolanan enerjiye) esneklik potansiyel enerjisi denir. Esneklik potansiyel enerjisi, sıkıştırılan ya da gerilen cismin cinsi ile sıkıştırılmanın veya gerilmenin miktarına bağlıdır.

Esneklik Potansiyel Enerjisi Örnekleri

Günlük hayatta trambolin, kurmalı saat ve müzik kutusu gibi pek çok nesnede esneklik potansiyel enerjisinden faydalanılır.

Tasarla ve Yap köşesinin bu projesinde, esneklik potansiyel enerjisi ve kinetik enerjinin birbirine dönüştüğü bir düzenek tasarlıyoruz

Nelere İhtiyacımız Var?

• 1 adet 15 cm x 22 cm boyutlarında maket karton
• 1 adet 16,5 cm uzunluğunda pipet
• 2 adet 6 cm uzunluğunda pipet
• 2 adet 22 cm uzunluğunda kalın çöp şiş
• 1 adet 1,5 cm uzunluğunda kalın çöp şiş
• 4 adet büyük boy PET şişe kapağı
• 4 adet orta boy PET şişe kapağı
• 70 cm uzunluğunda naylon ip
• 1 adet silikon mum (kalın)
• Silikon tabancası ve silikon
• Tamir bandı
• Elektrik bandı
• Tornavida
• Kalem
• Cetvel
• Makas
• Maket bıçağı

Uyarı:

Ne Yapıyoruz?

1. Maket kartondan 2,5 cm x 4 cm boyutlarında bir parça keselim.

2. Pipetleri görseldeki gibi maket kartonun altına silikon ile sabitleyelim.

3. PET şişe kapaklarının ortasına makas veya tornavida kullanarak çöp şişin geçebileceği şekilde birer delik açalım. Kapakları dört çift olacak şekilde silikon ve elektrik bandı kullanarak görseldeki gibi birleştirelim.

4. PET şişe kapaklarını görseldeki gibi 22 cm uzunluğundaki çöp şişleri kullanarak pipetlere takalım.

5. 1,5 cm’lik kalın çöp şiş parçasını görseldeki gibi silikon ile uzun çöp şişe sabitleyelim. Kapakların dönerken maket kartona temas etmemesine dikkat edelim.

6. Kalın silikon mum için görseldeki gibi maket karton üzerinde bir yer belirleyelim ve silikon ile kartona sabitleyip tamir bandı ile güçlendirelim.

7. Maket kartona yapıştırdığımız kalın silikon mumun boşta kalan uç kısmını maket bıçağı ile keselim. İpin bir ucunu kestiğimiz bölüme bağlayalım ve çevresini görsellik ve sağlamlık açısından elektrik bandı ile birkaç kez sarıp güçlendirelim. İpin diğer ucunu ise görseldeki gibi 1,5 cm uzunluğundaki kalın çöp şiş parçasına bağlayalım.

8. Artık arka tekerlek görevini yapacak PET şişe kapaklarını saat yönünün tersi yönde döndürerek enerji depolayabiliriz.

Ne OIdu?

Arka tekerleğe yaptığımız uygulamada ipi sardıkça kalın silikon mum gerilerek esneklik potansiyel enerjisi depolar. Arka tekerleği serbest bıraktığımızda ise esneklik potansiyel enerjisi hareket enerjisine dönüşmeye ve düzeneğimiz ivmelenmeye başlar. Süreç depolanan esneklik potansiyel enerjisinin tamamı kinetik enerjiye dönüşene kadar devam eder. Daha sonra hava sürtünmesi sebebiyle düzeneğimiz giderek yavaşlar ve sonunda durur.

Tekerleklerin çapını artırarak ve daha uzun kalın silikon mum kullanarak düzeneğimizin birim zamanda daha fazla yol almasını sağlayabiliriz.

Kaynak:

• Komisyon, 7. SınıfFen ve Teknoloji Ders Kitabı, Millî Eğitim Bakanlığı Yayınevi, Ankara,

Yazar Hakkında:

Namdar Gürsönmez

Fen Bilimleri Öğretmeni

İzmir Çiğli-Karşıyaka Aydoğan Yağcı Bilim ve Sanat Merkezi

Enerjinin korunumu yasası kapalı bir sistemde toplam enerji miktarının sabit kalacağını söyler. Kapalı sistem çevresinden yalıtılmış, çevresiyle etkileşmeyen, yani dış kuvvetlerin, özellikle de sürtünmenin olmadığı bir sistemdir. Kapalı sistemde çeşitli süreçler sonucunda enerji bir biçimden başka bir biçime dönüşebilir, ama sistemin toplam enerji miktarı hep aynı kalır. Potansiyel enerji kinetik enerjiye dönüşebilir ya da kinetik enerji potansiyel enerjiye dönüşebilir. Ancak iç enerji için durum farklıdır. Mekanik enerji iç enerjiye dönüşebilir, ama tersi olamaz, yani iç enerjinin mekanik enerjiye dönüşmesi mümkün değildir. Her halükarda sistemin toplam enerjisi değişmez, enerjinin korunumu sağlanır. Ama enerji dönüşümü gerçekleşir.

Aşağıdaki resim enerji dönüşümlerini özetliyor.

Enerji dönüşümleri örnekleri

Enerji yoktan var edilemez ve üretilemez; ayrıca yok edilemez ve tüketilemez. Günlük dilde enerji üretmek, fizik dilinde enerjiyi bir biçimden başka bir biçime dönüştürüp kullanılır hale getirmek demektir. Günlük dilde enerji tüketmek, fizik dilinde enerjinin artık iş yapmak için kullanılamayacak bir biçime dönüşmesi demektir. Aşağıdaki enerji dönüşümü örnekleri bu durumu açıklıyor:

• Fotovoltaik paneller güneş enerjisini elektrik enerjisine dönüştürür.
• Bitkiler güneş enerjisini fotosentezle kimyasal enerjiye dönüştürür.
• Besinlerdeki kimyasal enerji canlılarda kinetik enerjiye dönüştürülür. Bir atın koşabilmesinin nedeni yediği yemdeki kimyasal enerjinin dönüştürülmesidir.
• Benzindeki kimyasal enerji arabanın motorunda yakılır ve kinetik enerjiye dönüşür.
• Bir hız treni yokuşun tepesinden aşağı doğru inerken hızlanır. Potansiyel enerjisi kinetik enerjiye dönüşür.

Mekanik enerjinin korunumu

Kapalı ve sürtünmenin olmadığı bir sistemde mekanik enerji korunur. Yani her zaman sabittir, değişmez. Herhangi bir andaki mekanik enerjiyi bilirseniz, sistemin gelecek bir zamandaki enerjisini de bilirsiniz. Mekanik enerjinin ilk değeri son değerine eşit olur, yani değişim sıfıra eşittir.

∆ME = ME_son &#; ME_ilk = 0

Bu nedenle de:

ME_ilk = ME_son

Yani,

KE_ilk + PE_ilk = KE_son + PE_son olur.

Mekanik enerjinin korunması kinetik ve potansiyel enerjinin hiç değişmemesi demek değildir. Potansiyel enerji kinetik enerjiye dönüşebilir, ya da tam tersi olabilir. Önemli olan kinetik ve potansiyel enerji toplamının değişmiyor olmasıdır.

Aşağıdaki resimde kaykaycı bir rampada bir o yana bir bu yana kayıyor. Rampayla kaykay arasında sürtünme olmadığını varsayıyoruz. Resmin sol tarafındaki grafik bize kinetik (yeşil çubuk), potansiyel (mavi çubuk) ve toplam (sarı çubuk) enerjinin nasıl değiştiğini gösteriyor. Enerjinin korunumu ile ilgili bu resimdeki Enerji Kaykay Parkı PHET simülasyonuyla oynayabilirsiniz.

• Kaykaylı en yüksek noktaya geldiği zaman tüm mekanik enerjisi potansiyel enerjisine eşit oluyor. Bu noktada duruyor ve hareketinin yönü değişiyor.
• Kaykaylı rampanın en alt noktasına, yanı tam ortasına geldiği zaman, tüm mekanik enerjisi kinetik enerjisine eşit oluyor. Yerden yüksekliği hiç yok çünkü.
• En üst ve en alt noktaların aralarındaki tüm noktalarda kinetik enerji ile potansiyel enerjinin toplamı sabit kalıyor. Biri artıp diğeri azalıyor, ama toplamları değişmiyor. Hareketi boyunca potansiyel ve kinetik enerji birbirine dönüşüyor.
• Mekanik enerji (sarı çubuk) hiç değişmiyor, her zaman sabit.

Sürtünmenin ihmal edilebilecek kadar az olduğu durumlarda sarkaç gibi başka sistemlerde de mekanik enerji korunur. Sarkacın hareketi kaykaylının hareketine çok benzer.

Ayrıca yine sürtünmenin olmadığı bir ortamda havaya bir top atarsanız topun mekanik enerjisi havada kaldığı sürece korunur.

Mekanik enerjinin korunmadığı durumlar: Sürtünme

Sürtünmenin olduğu durumlarda mekanik enerji korunmaz. Çünkü sürtünme kuvveti mekanik enerjiyi iç enerjiye dönüştürür, sıcaklığı artırır. Cismin mekanik enerjisi azalır, iç enerjisi artar. Ancak hala kaykaylıyı ve rampayı bir kapalı sistem olarak alabiliriz. Bu durumda toplam enerji korunur, ama mekanik enerji korunmaz.

Yukarıdaki resimde kaykaylı bu kez sürtünmeli bir rampada kayıyor. Resmin sol tarafındaki grafik bize kinetik (yeşil çubuk), potansiyel (mavi çubuk), iç (turuncu) ve toplam (sarı çubuk) enerjinin nasıl değiştiğini gösteriyor.

• Kaykaylı hareketine ilk başladığında rampada en üst noktada ve toplam enerjisi potansiyel enerjisine eşit.
• Rampadan aşağı doğru kaydıkça kinetik enerjisi ve iç enerjisi artıyor, potansiyel enerjisi azalıyor.
• Rampanın diğer tarafında daha az yükselebiliyor. Her gidip gelişinde yüksekliği daha da azalıyor.
• Hızı da yavaşlıyor. Sonunda rampanın en alt noktasında, ortada duruyor.
• Hareket boyunca iç enerji hep artıyor. Sonunda toplam enerjiye eşit oluyor.
• Toplam enerji korunuyor, tüm enerji iç enerjiye dönüşüyor. Ama mekanik enerji korunmuyor. Sonunda ne kinetik ne potansiyel enerji kalıyor.

Gerçek dünyada her zaman sürtünme vardır. Bu nedenle aslında mekanik enerji hiç bir zaman korunmaz. Örneğin, bir topu havaya atarsanız hava sürtünmesi nedeniyle yavaşlar, kinetik enerjisi iç enerjiye dönüşür. Top yere çarpınca ses çıkar, enerjisinin bir kısmı ses enerjisine dönüşür. Bu nedenle yere düşen top bir dahaki sıçramalarında asla ilk çıktığı yüksekliğe erişemez.

Enerjinin Korunumu ve Dönüşümü ile İlgili Kazanımlar

 Enerjinin bir biçimden diğer bir biçime (mekanik, ısı, ışık, ses gibi) dönüşümünde toplam enerjinin korunduğu çıkarımını yapar.

• Sürtünmeden dolayı enerjinin tamamının hedeflenen enerji biçimine dönüştürülemeyeceği vurgulanır.
• Enerji dönüşüm hesaplamalarına girilmez.

 Canlıların besinlerden kazandıkları enerji ile günlük aktiviteler için harcadıkları enerjiyi karşılaştırır.

• Canlıların fiziksel anlamda iş yapmadan da enerji harcayabildikleri vurgulanır.

Potansiyel enerji kinetik enerjiye dönüşürken her zaman için sabit durduğu noktadan aşağı doğru hızla ivme kazanmalıdır. Yerçekiminin de etkisiyle hareketsiz duran ya da en tepe güç noktasına çıkmış olan nesne, potansiyel enerjisini terk eder ve kinetik enerjiye dönüşür. Bu konu belki isimlerin günlük hayatta çok kullanılmamasından dolayı ilk duyduğunda öğrenciler için karmaşık gibi gözükebilir fakat enerji dönüşümü konusu oldukça basit bir mantığa sahiptir.

Potansiyel Enerjinin Kinetik Enerjiye Dönüşümü Örnekleri

Potansiyel enerji, kinetik enerjiye dönüşebilmektedir. Bunun nasıl olduğu aşağıda paylaştığımız örnekler ile kolayca anlaşılacaktır.

Örnek: Ağacın dalında duran bir erik, çekim potansiyel enerjisine sahiptir. Fakat bu erik, dalından koparak yere düştüğü sırada çekim potansiyel enerjisini kaybeder. Ve bu enerji yerini hareket (kinetik) enerjisine bırakır. Burada, enerjinin yok olma durumu söz konusu değildir. Aynı zamanda, yeni bir enerjinin ortaya çıktığından da söz edemeyiz. Burada yalnızca bir enerji dönüşümü söz konusudur.

Örnek: Bir basketbol oyuncusunun elinde tuttuğu top, halihazırda bir potansiyel enerji bulundurmaktadır. Fakat oyuncu topu potaya doğru attığı zaman, top yere düşerken hızla kinetik (hareket) enerjiye dönüşür.

Örnek: Aynı örneği bir futbolcuya uyarlayalım. Örneğin kaleci, başlama vuruşunda topu havaya dikiyor olsun. Kaleci topu diktiğinde top yukarı çıkarken gittikçe yavaşlar ve kinetik enerji de buna oranla azalır. Top en yüksek noktadayken de en yüksek potansiyel enerjiye sahip olur. Ardından top aşağı düşmeye başladığı ilk andan itibaren potansiyel enerji azalarak yerini kinetik enerjiye bırakır.

Potansiyel Enerji Kinetik Enerjiye Nasıl Dönüşür?

Rastgele bir maddenin, farklı biçimlerde hareket etmesi veya durması üzerinden enerjinin tür değiştirmesi olayına enerji dönüşümü denir.

Günlük hayatta sıklıkla gördüğümüz enerji dönüşümleri arasında kinetik (hareket) enerjinin potansiyel enerjiye, potansiyel enerjinin ise hareket enerjisine dönüşmesi vardır. Bilhassa yukarıda verdiğimiz erik örneği buna en güzel örneklerden biridir. Çünkü sabit duran bir erik daldayken potansiyel enerji bulundurur fakat dalından kopup aşağıya doğru düşmeye başladığı andan itibaren eriğin potansiyel enerjisi giderek kinetik enerjiye dönüşür. Yani hareket enerjisine.

Enerji Dönüşümü Nedir?

Enerji, dönüşüme uğrayabilir ve bu birçok farklı sebepten dolayı meydana gelebilir. Bu dönüşümler, kendine özgü özelliklere sahiptirler. Enerjinin dönüşümlerini aşağıdaki gibi sıralamak mümkündür:

• Hareket (kinetik) enerjisi
• Çekim potansiyel enerjisi
• Esneklik potansiyel enerjisi

Yukarıda sayılan enerji türleri, birbiri arasında dönüşebilme özelliğine sahiptirler. Yani bu şekilde enerji hiçbir şekilde yok olmuyor, sadece farklı bir enerji türüne dönüşmüş oluyor.

Bilmekte Fayda Var!

Enerji Nedir?

İş yapabilme yeteneğine enerji diyoruz. Hayatımızın her alanında enerjiye ihtiyaç duyarız. Örneğin vücudumuzda meydana gelen yaşamsal faaliyetler ya da bir otomobilin çalışması için enerji gereklidir.

Enerji Türleri Nelerdir?

Çok farklı enerji türleri vardır:

• Kimyasal enerji
• Nükleer enerji
• Işık enerjisi
• Ses enerjisi
• Potansiyel enerji
• Kinetik enerji
• Güneş enerjisi

Enerjinin Korunumu Nedir?

Enerji vardan yok olmaz ya da yoktan var olmaz. Buna enerjinin korunumu kanunu denir. Bir enerji türü başka bir enerji türüne dönüşebilir.

Cisimlerin konumları nedeniyle sahip oldukları enerjiye potansiyel enerji, hareketleri nedeniyle sahip oldukları enerjiye ise kinetik enerji denir. Örneğin esnek cisimler sıkıştırıldıkları veya gerildikleri zaman potansiyel enerji kazanır. Potansiyel ve kinetik enerjinin birinin diğerine dönüşmesi mümkündür. Günlük yaşamdaki birçok alanda da potansiyel ve kinetik enerji birbirine dönüşür.

Tasarla ve Yap köşesinin bu projesinde, potansiyel enerjinin kinetik enerjiye nasıl dönüştüğünü gösteren bir düzenek tasarlıyoruz.

Nelere İhtiyacımız Var?

• 4 adet 5 cm x 10 cm boyutlarında maket kartonu veya sert mukavva karton
• 2 adet CD
• 1 adet çöp şiş
• 1 plastik kapak
• 1 adet boncuk (büyük boy)
• 1 adet paket lastiği (kalın)
• Silikon tabancası ve yapıştırıcı
• Makas
• Cetvel

Uyarı:

Kesici ve delici aletleri kullanırken dikkatli olalım. Silikon tabancasının elimizi yakmamasına dikkat edelim.

Ne Yapıyoruz?

1. Maket kartonundan 5 cm x 10 cm boyutlarında dört parça keselim.

2. Kestiğimiz parçaları silikon tabancası kullanarak CD’nin dış yüzeyine eşit aralıklarla yapıştıralım.

3. İkinci CD’yi, dış yüzeyi içe gelecek şekilde maket kartonlarına yapıştıralım.

4. Plastik kapağın çevresini makas ile keselim ve ortasından lastik geçebilecek şekilde delelim.

5. Plastik kapağı, silikon kullanarak CD'nin orta kısmındaki boşluğa denk gelecek şekilde yapıştıralım.

6. Çöp şişten 4 cm ve 12 cm uzunluklarında iki parça keselim.

7. Paket lastiğinin bir ucunu çöp şişin küçük parçasına bağlayalım. Diğer ucunu sırasıyla birinci CD’nin boşluğundan, düzeneğin iç kısmından, ikinci CD’nin plastik kapaktaki boşluğundan ve boncuk deliğinden geçirdikten sonra uzun çöp şişin uca yakın bölümüne bağlayalım. Küçük çöp şişi silikon kullanarak yapıştırıp sabitleyelim.

8. Artık düzeneğimiz çalışmaya hazır. Uzun çöp şişi CD’nin çevresinde dairesel hareket ettirerek iç bölümde kalan lastiğin gerilmesini sağlayalım. Böylece lastiğe potansiyel enerji depolamış olacağız.

9. Düzeneği düz bir zeminde serbest bıraktığımızda depoladığımız potansiyel enerji kinetik enerjiye dönüşmeye ve böylece düzenek hareket etmeye başlayacak.