Havada sabit irtifada gitmekte olan bir yolcu uçağı şüphesiz enerjiye sahiptir. Uçağın bulunduğu yükseklik onun potansiyel enerjiye sahip olduğunu gösterirken hareket ediyor olması ise kinetik enerjiye sahip olduğunun kanıtıdır. Peki, bu “enerji” dediğimiz kavram nedir ? Enerji türlerinden olan kinetik enerji ve potansiyel enerji arasındaki fark nedir ? Sizler için örneklerle açıkladık.
Enerji Nedir?
Fiziksel bir sistemin mevcut durumunu değiştirmek için yapılması gereken iş gücü olarak tanımlanan enerjiyi daha iyi anlamak adına sitemizdeki “Sistemlere hareket veren enerji dönüştürücüleri: Elektrik Motorları” adlı yazımızda bulunan tanımı okuyup enerjiyi anlamaya çalışalım.
Enerji, fizikte tanımlanması zor olan terimlerden biri olmakla birlikte temel olarak iş yapabilme yeteneği demektir. Burada kasıt nedir? Fiziği bir kenara bırakıp günlük hayatımızdan düşünelim: Çok yorgun hissettiğimiz bir günün sabahına uyandığımızda işe gitme isteğimizin az olması bizim enerjimizin az olmasından kaynaklanmaktadır. Yani enerjimiz, aslında bir işi ne kadar yapmak isteyeceğimizi daha doğrusu ne kadar iş yapabileceğimizi belirler.
Fiziğe dönecek olursak; tanımımız enerjinin bir sistemin yapabileceği iş miktarına eşit olduğunu söyler. Bu sistemi insan kabul edelim. Deniz seviyesinden dağa tırmandığımızda bir iş yapmış oluruz. Yaptığımız iş, vücudumuzu yukarı doğru taşımak, çıkarmaktır. İş yaptığımız için de enerji harcamış oluruz. Kısaca iş ve enerji mantığı bu şekilde işler diyebiliriz.
“Enerji yoktan var olmaz, vardan yok olmaz. Enerji yalnızca dönüşür.” sözü kulağımıza bir yerden tanıdık gelmiştir. Peki, enerji nasıl dönüşür ? Az önceki örneğimizden devam edelim. İş yaptığımız için enerji harcamış oluruz demiştik. Ancak burada harcanan enerji bizim vücudumuzun enerjisi olduğu için “harcamış oluruz” deriz. Burada asıl gerçekleşen şey enerjinin dönüşümü, aktarımıdır. Enerji, biz onu harcayıp dağa çıktıktan sonra yükseklik potansiyel enerjisine ve ısı enerjisine dönüşmüş olur.
Kısacası buradaki süreç, vücudumuzdaki kimyasal enerjinin biz yukarı çıktığımız, iş yaptığımız, için yükseklik potansiyel enerjisine ve ısıya dönüşmesidir. Peki, dağın tepesinden atlarsak ne olur? Şüphesiz bir enerji dönüşümü daha gerçekleşir. Yer çekimi etkisiyle aşağı düşmeye başlarız, yükseğe çıktığımızda sahip olduğumuz yükseklik potansiyel enerjisi azalır ve sahip olduğumuz hıza bağlı olan kinetik enerjiye dönüşür. Aynı zamanda bir miktar da ısı enerjisi açığa çıkar. -Dünya üzerinde enerji dönüşümü esnasında her zaman ısı enerjisi açığa çıkacaktır. Bu sürecin en sonunda ise deniz seviyesinde yere çarparız ve tamamı kinetiğe dönüşen enerji bu sefer de bizi yere düştüğümüzde durduran sürtünmeye yani ısı enerjisine dönüşür.
Enerji aynı zamanda potansiyel ve/veya kinetik farktır. Hızla giden bir arabanın içinde bulunduğumuzda sahip olduğumuz hız bizim bir kinetik enerjiye sahip olduğumuz anlamına gelir. Bunun sebebi bizim durmakta olan yere göre hareketli olmamızdır. Bizim hızımız, kinetiğimiz yer ile farka sahiptir. Yüksekte bulunduğumuzda yükseklik potansiyel enerjisine sahip oluruz (yer çekimi olması halinde) çünkü deniz seviyesine göre yüksekliğimiz bir farka sahiptir. Bir pilin iki ucunu temas ettirdiğimizde akım artı kutuptan eksi kutba akmaya başlar çünkü kutuplar potansiyel bir farka sahiptir. Pillerde buna “pilin voltajı” deriz.
Kinetik Enerji Nedir?
Kinetik, duran bir noktaya göre yer değiştirmekte olan nesnenin yaptığı eylem ile ilgilidir. Başka bir deyişle kinetik, hareketle ilgilidir. Buradan yola çıkarak kinetik enerji için cisimlerin hareket etmeleri sebebiyle sahip oldukları bir enerji türüdür diyebiliriz.
Herhangi bir cisme etki eden kuvvet, cismi, etki ettiği yönde hareket ettiriyorsa iş yapılmış olur. Örneğin; el arabasını hareket ettirmek isteyen bir işçi ona kuvvet uygulayarak hareket ettirir ve iş yapmış olur. Başka bir açıdan bakacak olursak aslında burada fiziksel olarak yapılan şey işçinin kendi enerjisini el arabasını hareket ettirmek için kullanmasıdır. İşçi, vücudundaki enerjinin bir kısmını el arabasına aktarmış ve onun hareket etmesini sağlamıştır. Buradan “eğer bir yerde fiziksel anlamda iş yapılıyorsa enerji bir türden başka bir türe dönüştürülüyordur, aktarılıyordur.” sonucuna varabiliriz. Bu durumda işçinin vücudundan el arabasına aktarılan enerji onun hareket etmesini sağlayan bir enerji türüne dönüşmüştür. İşte bu enerjiye kinetik enerji adı verilir.
Kinetik enerji cisimlerin kütlelerine ve hızlarına bağlıdır.
Hareket eylemi yalnızca doğrusal olmak zorunda değildir. Örneğin; lunaparktaki bir dönme dolap dönüşü esnasında elbette bir hıza sahiptir ancak hareketi doğrusal değil çemberseldir. Bu iki farklı hareket şekline göre iki çeşit kinetik enerji vardır. El arabası örneğindeki gibi doğrusal yolda giden cisimlerin sahip olduğu enerji öteleme kinetik enerjisi olarak adlandırılırken kütle merkezinden geçen bir doğru etrafında dönen cisimlerin sahip olduğu enerjiye ise dönme kinetik enerjisi denir.
Öteleme kinetik enerjisinin formülü : ½ m.V2 (m= Kütle, V= Sürat)
Dönme kinetik enerjisinin formülü : ½ I.ω2 ( I= Eylemsizlik momenti, ω= Açısal hız)
Hareket göreceli bir kavramdır. Örneğin; dünya üzerinde durmakta olan iki kişi birbirini duruyormuş gibi görür. Birbirlerine göre kinetik enerjileri sıfırdır çünkü söylediğimiz gibi ikisi de birbirine göre durgundur. Ancak, saatte 900 km/h hızla giden bir uçaktaki iki yolcu da birbirini durgun görür. Birbirlerini durgun gördükleri için kinetik enerjileri sıfır mıdır? Elbette hayır. Kinetik enerji hesaplanırken alınan hız değeri cismin veya canlının dünya zeminine göre hızıdır.
Potansiyel Enerji Nedir?
Potansiyel kelimesi anlamı itibariyle “varlığı, gücü ortaya çıkmamış olan” demektir. Potansiyel enerji ise cisimlerin fiziksel durumundan ötürü sahip oldukları -depoladıkları- ve açığa çıkarılmayı bekleyen enerji türü anlamına gelir.
Bir cisim bir kuvvete karşı etkide bulunuyorsa veya etkide bulunduruluyorsa o cisimde potansiyel enerji birikir. Kafamızda canlandırarak anlamaya çalışalım. Örneğin, yukarıdaki resimde bulunan yaylardan birine sahip olduğumuzu hayal edelim. Yayın normal hali resimde gördüğümüz gibidir. Ancak biz yayların birini elimize alıp iki ucundan kuvvet uygulayarak esnetirsek iş yapmış oluruz ve yaya bir enerji aktarırız.
Yayın esneme miktarı en başta sıfırdır ancak biz onu esnettikten sonra bu değerde başlangıca göre bir fark oluşur. Bu fark bizim aktardığımız, başka bir türe dönüşen ve açığa çıkmayı bekleyen bir enerjiyi barındırır. Gerçekten de öyledir. Yayı serbest bırakırsak depoladığı o enerjiyi açığa çıkarır ve kendisini eski haline getirir. İşte bu enerji potansiyel enerji olarak adlandırılır. Spesifik olarak yaylar esnetildiğinde esneklik potansiyel enerjisine sahip olurlar.
Potansiyel enerji türleri kendi içerisinde yedi gruba ayrılır;
- Yerçekimi potansiyel enerjisi
- Esneklik potansiyel enerjisi
- Elektrik potansiyel enerjisi
- Manyetik potansiyel enerjisi
- Isı potansiyel enerjisi
- Kimyasal potansiyel enerjisi
- Nükleer potansiyel enerjisi
Kinetik enerjiyle kıyaslamasını yapabilmek adına bu yazımızda yerçekimi potansiyel enerjisini inceleyeceğiz.
Yerçekimi (Yükseklik) Potansiyel Enerjisi
Cisimlerin yüksekliklerine bağlı olan enerjiye yerçekimi potansiyel enerjisi adı verilir. Formülü m.g.h olarak karşımıza çıkar (m=kütle, g=yerçekimi ivmesi, h=yükseklik).
Dünya üzerindeki her maddeye yönü dünyanın merkezine doğru olan yerçekimi kuvveti etki eder. Bundan ötürü bir cismin yüksekliğini artırmak istediğimizde yerçekimi kuvvetine karşı kuvvet uygulamamız gerekir. Bu kuvvet uygulandığı takdirde cismi yukarı taşımak mümkün olur.
Gerekli kuvveti uygulayarak bir cismin yüksekliğini artırdığımızda iş yapmış oluruz ve aktardığımız enerji cisimde birikir. Bu, potansiyel bir enerjidir. Yükseklikle ilişkili olduğu için spesifik olarak yükseklik potansiyel enerjisi veya yerçekimsel potansiyel enerji olarak adlandırılır.
Bir başka deyişle potansiyel enerji bir cismin düşük potansiyelden düşük potansiyele geçtiğinde biriken enerjidir.
Potansiyel enerji kütleye, yerçekimi ivmesine ve yüksekliğe bağlıdır. Kütlesi büyük olan bir cismi kaldırmak, yüksekliğini artırmak daha zordur. Dolayısıyla bu işlem için harcadığımız enerji daha fazladır. Harcadığımız bu enerji cisimde biriktiği için cisim daha fazla yükseklik potansiyel enerjisine sahip olmuş olur.
Yerçekimi potansiyel enerjisini etkileyen bir diğer faktör de elbette yüksekliktir. Bir cisim ne kadar yüksekte olursa o kadar çok yükseklik potansiyel enerjisine sahip olur. Deniz seviyesinin yüksekliği 0 olarak kabul edilir ve bu yüzden deniz seviyesinden yüksekte olan her cisim çekim potansiyel enerjisine sahiptir.
Yerçekimi ivmesi ne kadar artarsa yer, cismi o kadar fazla çeker. Dolayısıyla cismi kaldırmak yine zorlaşır ve kaldırmak için harcayacağımız enerji de yine artar. Cisme aktarılan enerji daha fazla olur. Kısacası yerçekimi ivmesi artarsa yükseklik potansiyel enerjisi de artar. Yerçekimi olmayan bir yerde tahmin edebileceğimiz üzere yükseklik potansiyel enerjisi olmaz. Bunun ne kadar ilginç olduğunu anlamak adına düşünelim. Yerçekimi olmayan yerde yükseklik kavramından bahsedilebilir mi ? Hayır. Daha iyi anlamak için uluslararası uzay istasyonundaki yaşama bakabiliriz. Herhangi bir zamanda durduğumuz yerden kafamızı kaldırdığımızda gördüğümüz yeri yukarısı olarak nitelendiririz. Ancak ters dönersek -uzayda olduğumuz için kolayca yapabiliriz- bu sefer az önce yukarısı olarak gördüğümüz yer şimdi bastığımız zemin olur. Yani herhangi bir yükseklik karşılaştırması yapamayız çünkü “yukarısı” diye bir yer yoktur. Dolayısıyla söylediğimiz gibi eğer bir yerde yerçekimi yoksa orada yükseklik kavramından söz edilmez, yükseklik potansiyel enerjisi olmaz.
Kinetik Ve Potansiyel Enerji Arasındaki Farklar Nelerdir ?
- Fizikte bir cismin sahip olduğu kinetik ve yükseklik potansiyel enerjisi toplamına mekanik enerji adı verilir ve toplamları sürtünmesiz bir ortamda değişmez. Atlayış yapan bir paraşütçüyü düşünecek olursak düşerken yükseklik potansiyel enerjisi azalır fakat hızı arttığından kinetik enerjisi artar.
- Kinetik enerji cisimlerin hareketiyle ilgiliyken potansiyel enerji cisimlerin fiziksel durumlarıyla alakalıdır.
- Kinetik enerji bir cismin hızına ve kütlesine bağlıdır. Potansiyel enerji ise bir cisme ait kütleye, cismin yüksekliğine ve yerçekimi ivmesine bağlıdır.
- Potansiyel enerji bir cismin yüksek potansiyelden düşük potansiyele geçtiğinde biriken bir enerjidir fakat kinetik enerji birikmez. Cismin hızı varsa vardır, cisim durursa başka enerji türüne dönüşür.
Önemli Not:
Yazımızda bahsettiğimiz enerji dönüşümlerinde ve diğer bütün enerji dönüşümleri esnasında enerji, bir değil en az iki enerjiye birden dönüşür. Örneğin; yere hızla düşmekte olan bir yağmur tanesinin kaybettiği yükseklik potansiyel enerjisi onun hızlanmasını sağlayan kinetik enerjiye dönüşmekle birlikte bir miktar da ısı enerjisine dönüşür. Bu da sürtünmeden kaynaklıdır. Sürtünme, iki cisim arasındaki elektromanyetik etkileşimden doğan bir kuvvettir. Uzayda da dünyada da sürtünme vardır. Bunun için dönüşen enerjinin bir kısmı da her zaman ısıya dönüşür ve verim asla %100 olmaz.
Kaynaklar