Kuvvet ve Hareket

158 soru

Soru 61Soru

Sürtünmesiz yatay düzlemde durmakta olan 5 kg5\text{ kg} kütleli bir cisim, iç patlama sonucu iki parçaya ayrılıyor. Parçalardan kütlesi 2 kg2\text{ kg} olanı, patlamadan hemen sonra +x+x yönünde 6 m/s6\text{ m/s} hızla harekete geçiyor.

Buna göre, diğer parçanın patlamadan hemen sonraki hızı aşağıdakilerden hangisidir?

Cevabı ve açıklamayı göster

Cevap: x-x yönünde 4 m/s4\text{ m/s}

Cevap

x-x yönünde 4 m/s4\text{ m/s}
Sistemin patlamadan önceki çizgisel momentumu sıfır olduğu için momentumun korunumu gereği patlamadan sonraki toplam çizgisel momentum da sıfır olmalıdır. İlk parçanın momentumu +12 kgm/s+12\text{ kg}\cdot\text{m/s} olduğuna göre, toplamın sıfır olması için ikinci parçanın momentumu 12 kgm/s-12\text{ kg}\cdot\text{m/s} olmalıdır. İkinci parçanın kütlesi 3 kg3\text{ kg} olduğundan, hızı x-x yönünde 4 m/s4\text{ m/s} olur.

Adım Adım Çözüm

1
İlk momentumu belirleme
Pilk=0P_{\text{ilk}} = 0
Cisim patlamadan önce durduğu için başlangıçtaki çizgisel momentumu sıfırdır.
2
Parçaların kütlelerini bulma
m2=3 kgm_2 = 3\text{ kg}
Toplam kütle 5 kg5\text{ kg} olduğuna göre, 2 kg2\text{ kg} kütleli parçanın dışındaki diğer parçanın kütlesi 52=3 kg5 - 2 = 3\text{ kg} olur.
3
Momentumun korunumunu uygulama
v2=4 m/sv_2 = -4\text{ m/s}
Sürtünmesiz yatay düzlemde dış kuvvet olmadığından momentum korunur: Pilk=Pson0=m1v1+m2v20=2(+6)+3v2v2=4 m/sP_{\text{ilk}} = P_{\text{son}} \Rightarrow 0 = m_1 \cdot v_1 + m_2 \cdot v_2 \Rightarrow 0 = 2 \cdot (+6) + 3 \cdot v_2 \Rightarrow v_2 = -4\text{ m/s}. Buradan hızın yönü x-x, büyüklüğü 4 m/s4\text{ m/s} bulunur.

Anahtar Kavram

İç patlamalarda çizgisel momentumun korunumu

Alternatif Yöntem

Momentum korunumunu doğrudan kütle ve hızların ters orantılı olması ilişkisinden bulabiliriz. Momentum büyüklükleri eşit olacağından m1v1=m2v2m_1 \cdot v_1 = m_2 \cdot v_2 yazılır. Buradan 26=3v2v2=4 m/s2 \cdot 6 = 3 \cdot v_2 \Rightarrow v_2 = 4\text{ m/s} elde edilir. Zıt yönlü hareket etmeleri gerektiğinden hız x-x yönünde 4 m/s4\text{ m/s} olur.
Tahmini Süre:1m 0s
Soru 62Soru

Sürtünmesiz yatay düzlemde durmakta olan m=2 kgm = 2\text{ kg} kütleli bir kutuya, yatay doğrultuda F1=8 NF_1 = 8\text{ N} ve düşey doğrultuda aşağıya doğru F2=6 NF_2 = 6\text{ N} büyüklüğünde iki sabit kuvvet şekildeki gibi uygulanmaktadır. Kutu, bu kuvvetlerin etkisinde yatay düzlem üzerinde 5 m5\text{ m} yer değiştirmektedir.

Buna göre, bu süreçle ilgili;

I. Net kuvvetin kutu üzerinde yapt��ğı iş 50 J50\text{ J}'dür.
II. Kutunun kinetik enerjisindeki artış 40 J40\text{ J}'dür.
III. Kutunun yatay doğrultudaki çizgisel momentumu korunmuştur.

yargılarından hangileri doğrudur?

Cevabı ve açıklamayı göster

Cevap: Yalnız II

Cevap

Yalnız II
Kutunun hareket doğrultusu yatay düzlem üzerindedir. Düşey doğrultudaki kuvvetler (yer çekimi, yüzey tepkisi ve aşağı yönlü dış kuvvet) harekete dik olduğu için iş yapmazlar. Dolayısıyla net işi sadece yatay doğrultudaki 8 N8\text{ N}'luk kuvvet yapar. 5 m5\text{ m} yer değiştirme sonucunda yapılan net iş Wnet=8×5=40 JW_{\text{net}} = 8 \times 5 = 40\text{ J} olur. İş-enerji teoremine göre yapılan net iş kinetik enerjideki değişime eşit olduğundan kutunun kinetik enerjisi 40 J40\text{ J} artar. Yatayda net dış kuvvet sıfırdan farklı olduğu için yatay doğrultudaki çizgisel momentum korunmaz. Bu nedenle yalnızca ikinci yargı doğrudur.

Adım Adım Çözüm

1
Kutuya etki eden kuvvetlerin hareket doğrultusundaki bileşenlerini belirleme.
Kutunun hareket doğrultusu yataydır. Yatay doğrultudaki kuvvet F1=8 NF_1 = 8\text{ N}'dur. Düşey doğrultudaki F2=6 NF_2 = 6\text{ N} kuvveti, yer çekimi kuvveti (mgmg) ve yüzeyin tepki kuvveti (NN) hareket doğrultusuna diktir.
Bir kuvvetin iş yapabilmesi için hareket doğrultusunda bir bileşeninin olması gerekir. Harekete dik olan kuvvetler fiziksel anlamda iş yapmaz.
2
Net kuvvetin kutu üzerinde yaptığı net işi hesaplama.
Wnet=F1x=8 N×5 m=40 JW_{\text{net}} = F_1 \cdot x = 8\text{ N} \times 5\text{ m} = 40\text{ J}
Düşey doğrultudaki kuvvetlerin işi sıfır olduğundan, net iş sadece yatay kuvvetin yaptığı işe eşittir.
3
Kutunun kinetik enerjisindeki değişimi bulma.
ΔEk=Wnet=40 J\Delta E_k = W_{\text{net}} = 40\text{ J}
İş-enerji teoremine göre, bir cisim üzerinde yapılan net iş, cismin kinetik enerjisindeki değişime eşittir.
4
Çizgisel momentumun korunup korunmadığını inceleme.
Kutunun yatay doğrultudaki çizgisel momentumu korunmaz.
Yatay doğrultuda kutuya etki eden net bir dış kuvvet (F1=8 NF_1 = 8\text{ N}) vardır. Dış net kuvvet sıfırdan farklı olduğu için momentum zamanla değişir.

Anahtar Kavram

İş-enerji teoremi ve net işin kinetik enerji değişimine eşit olması; hareket doğrultusuna dik kuvvetlerin iş yapmaması; net dış kuvvet varlığında çizgisel momentumun korunmaması.
Tahmini Süre:2m 0s
Soru 63Soru

Sürtünmelerin önemsiz olduğu yatay düzlemdeki 3 kg3\text{ kg} kütleli XX cismi, esnemeyen hafif bir ip ve makara yardımıyla 2 kg2\text{ kg} kütleli YY cismine bağlanmıştır. Sistem durgun halden serbest bırakılıyor.

Buna göre, YY cismi 2 m2\text{ m} aşağı indiğinde mekanik enerjisindeki değişim aşağıdakilerden hangisi olur? (g=10 m/s2g = 10\text{ m/s}^2 alınız.)

Cevabı ve açıklamayı göster

Cevap: 24 J azalır

Cevap

Mekanik enerjideki değişim 24 J azalma yönündedir.
Doğru seçenekte belirtildiği gibi, YY cisminin mekanik enerjisindeki değişim, kinetik enerji artışı ile potansiyel enerji azalışının toplamına eşittir. Yapılan hesaplamalar sonucunda bu değişim 24 J-24\text{ J} olarak bulunur, yani mekanik enerji 24 J24\text{ J} azalır.

Adım Adım Çözüm

1
Sistemin ivmesini hesaplayın.
a=mYgmX+mY=2103+2=4 m/s2a = \frac{m_Y \cdot g}{m_X + m_Y} = \frac{2 \cdot 10}{3 + 2} = 4\text{ m/s}^2
Net dış kuvvet olan yerçekimi kuvvetinin toplam kütleye oranı sistemin ivmesini verir.
2
YY cisminin 2 m2\text{ m} aşağı indiğindeki hızını bulun.
v2=2ah=242=16    v=4 m/sv^2 = 2 \cdot a \cdot h = 2 \cdot 4 \cdot 2 = 16 \implies v = 4\text{ m/s}
Sabit ivmeli hareket formülü kullanılarak cismin ulaştığı son hız hesaplanır.
3
YY cisminin kinetik ve potansiyel enerji değişimlerini hesaplayıp mekanik enerji değişimini bulun.
ΔKY=12mYv2=16 J\Delta K_Y = \frac{1}{2} m_Y v^2 = 16\text{ J}, ΔUY=mYgh=40 J\Delta U_Y = -m_Y g h = -40\text{ J}. ΔEY=ΔKY+ΔUY=1640=24 J\Delta E_Y = \Delta K_Y + \Delta U_Y = 16 - 40 = -24\text{ J}.
Mekanik enerji değişimi, kinetik ve potansiyel enerjilerdeki değişimlerin toplamına eşittir.

Anahtar Kavram

Bir sistemdeki bireysel cisimlerin mekanik enerjisinin değişimi, üzerlerinde yapılan net korunumsuz işe (ip gerilmesinin işine) eşittir.
Soru 64Soru

Sürtünmesiz yatay bir zemin üzerinde üst üste konulmuş m1=2 kgm_1 = 2\text{ kg} ve m2=3 kgm_2 = 3\text{ kg} kütleli iki blok şekildeki gibi durmaktadır. Bloklar arasındaki statik sürtünme katsayısı μs=0,4\mu_s = 0,4'tür. Alttaki m2m_2 kütleli bloğa yatay doğrultuda F\vec{F} kuvveti uygulanıyor. Buna göre, üstteki m1m_1 kütleli bloğun alttaki bloğun üzerinde kaymadan birlikte hareket edebilmeleri için uygulanabilecek yatay F\vec{F} kuvvetinin büyüklüğü en fazla kaç N\text{N} olmalıdır? (g=10 m/s2g = 10\text{ m/s}^2 alınız.)

Cevabı ve açıklamayı göster

Cevap: 20

Cevap

Blokların birlikte kaymadan hareket edebilmeleri için uygulanabilecek maksimum yatay kuvvet 20 N olmalıdır.
Üstteki bloğun kaymadan hareket edebilmesi için gereken ivme, aralarındaki statik sürtünme kuvvetiyle sağlanır. Maksimum statik sürtünme kuvveti fs,max=8 Nf_{s,\max} = 8\text{ N} olduğundan, üstteki bloğun ivmesi en fazla amax=4 m/s2a_{\max} = 4\text{ m/s}^2 olabilir. Blokların birlikte ivmelenmesi için uygulanabilecek en büyük yatay kuvvet ise Fmax=(m1+m2)amax=(2+3)4=20 NF_{\max} = (m_1 + m_2) \cdot a_{\max} = (2 + 3) \cdot 4 = 20\text{ N} olarak bulunur.

Adım Adım Çözüm

1
Üstteki blok ile alttaki blok arasındaki maksimum statik sürtünme kuvvetini hesaplamak.
fs,max=8 Nf_{s,\max} = 8\text{ N}
Üstteki bloğa yatay doğrultuda etki eden tek kuvvet iki blok arasındaki sürtünme kuvvetidir. Bu kuvvetin sınırı sistemin ivme limitini belirler.
2
Üstteki bloğun kaymadan sahip olabileceği maksimum ivmeyi bulmak.
amax=4 m/s2a_{\max} = 4\text{ m/s}^2
Üstteki bloğun ivmesi, üzerine etki eden maksimum sürtünme kuvvetinin kütlesine bölünmesiyle (amax=fs,max/m1a_{\max} = f_{s,\max} / m_1) elde edilir.
3
Sistemin toplam kütlesi ve maksimum ortak ivme değerini kullanarak uygulanabilecek en büyük dış kuvveti hesaplamak.
Fmax=20 NF_{\max} = 20\text{ N}
Her iki bloğun birlikte ivmelenmesini sağlayan dış kuvvet, toplam kütle ile maksimum ivmenin çarpımına eşittir (Fmax=(m1+m2)amaxF_{\max} = (m_1 + m_2) a_{\max}).

Anahtar Kavram

Statik sürtünme kuvvetinin sınır değeri ve Newton'ın ikinci hareket yasasının sisteme uygulanması.
Soru 65Soru

Doğrusal bir yolda ayn�� yönde hareket eden KK ve LL araçlarından arkada bulunan KK aracı 25 m/s25\text{ m/s} sabit hızla, önde bulunan LL aracı ise 5 m/s5\text{ m/s} sabit hızla yol almaktadır. Aralarındaki mesafe 65 m65\text{ m} olduğu anda; LL aracı 2 m/s22\text{ m/s}^2 büyüklüğündeki sabit ivmeyle hızlanmaya, KK aracı ise aynı anda fren yaparak 2 m/s22\text{ m/s}^2 büyüklüğündeki sabit ivmeyle yavaşlamaya başlamaktadır. Buna göre, araçların bundan sonraki hareketi sürecinde birbirlerine en yakın oldukları anda aralarındaki mesafe kaç metredir?

Cevabı ve açıklamayı göster

Cevap: 15

Cevap

Araçların birbirlerine en yakın oldukları andaki aralarındaki mesafe 15 m15\text{ m}'dir.
Araçların birbirine en yakın olduğu an hızlarının eşitlendiği andır. vK=vLv_K = v_L eşitliğinden bu sürenin t=5 st = 5\text{ s} olduğu bulunur. Bu sürede yavaşlayan K aracı 100 m100\text{ m}, hızlanan L aracı ise 50 m50\text{ m} yer değiştirir. Başlangıçta aralarında 65 m65\text{ m} mesafe bulunduğundan, son durumda aralarındaki minimum mesafe 65+50100=15 m65 + 50 - 100 = 15\text{ m} olur.

Adım Adım Çözüm

1
Araçların birbirine en yakın olduğu anı belirlemek için hızlarının eşitlendiği süreyi bulma.
K aracının hızı vK(t)=252tv_K(t) = 25 - 2t, L aracının hızı vL(t)=5+2tv_L(t) = 5 + 2t şeklindedir. Hızların eşitlendiği an 252t=5+2t    4t=20    t=5 s25 - 2t = 5 + 2t \implies 4t = 20 \implies t = 5\text{ s} olarak bulunur.
İki hareketlinin birbirine en yakın olduğu an, arkadaki aracın hızının öndeki aracın hızına eşitlendiği andır. Bu andan önce arkadaki araç daha hızlı olduğundan aradaki mesafe azalır; bu andan sonra ise öndeki araç daha hızlı olacağından aradaki mesafe artar.
2
K aracının 5 s5\text{ s} süresince yaptığı yer değiştirmeyi hesaplama.
ΔxK=v0Kt12aKt2=25512252=12525=100 m\Delta x_K = v_{0K} \cdot t - \frac{1}{2} a_K t^2 = 25 \cdot 5 - \frac{1}{2} \cdot 2 \cdot 5^2 = 125 - 25 = 100\text{ m}.
Sabit ivmeyle yavaşlayan K aracının aldığı yolu bulmak için bir boyutta sabit ivmeli hareket yer değiştirme formülü uygulanır.
3
L aracının 5 s5\text{ s} süresince yaptığı yer değiştirmeyi hesaplama.
ΔxL=v0Lt+12aLt2=55+12252=25+25=50 m\Delta x_L = v_{0L} \cdot t + \frac{1}{2} a_L t^2 = 5 \cdot 5 + \frac{1}{2} \cdot 2 \cdot 5^2 = 25 + 25 = 50\text{ m}.
Sabit ivmeyle hızlanan L aracının aldığı yolu bulmak için bir boyutta sabit ivmeli hareket yer değiştirme formülü uygulanır.
4
Araçlar arasındaki son mesafeyi hesaplama.
xK(0)=0x_K(0) = 0 ve xL(0)=65 mx_L(0) = 65\text{ m} kabul edilirse; t=5 st = 5\text{ s} anında xK(5)=100 mx_K(5) = 100\text{ m} ve xL(5)=65+50=115 mx_L(5) = 65 + 50 = 115\text{ m} olur. Aralarındaki mesafe dmin=115100=15 md_{min} = 115 - 100 = 15\text{ m} olarak bulunur.
Başlangıçtaki konumlara yapılan yer değiştirmeler eklenerek araçların son konumları bulunur ve aralarındaki fark hesaplanır.

Anahtar Kavram

Bir boyutta sabit ivmeli harekette bağıl hareket ve en yakın mesafe analizi.
Tahmini Süre:2m 30s
Soru 66Soru

Sürtünmeli yatay bir masa üzerinde bulunan 3 kg3\text{ kg} kütleli XX cismi, ağırlığı ve sürtünmesi önemsiz bir makara ��zerinden geçen esnemeyen hafif bir iple düşey doğrultuda asılı olan 2 kg2\text{ kg} kütleli YY cismine bağlanmıştır. Masa yüzeyi ile XX cismi arasındaki kinetik sürtünme katsayısı μ=0,5\mu = 0,5 olup, sistem durgun halden serbest bırakılmaktadır. YY cismi 2 m2\text{ m} aşağı indiği anda;

I. XX cismi üzerinde yerçekimi kuvvetinin yaptığı iş sıfırdır.
II. İpteki gerilme kuvvetinin YY cismi üzerinde yaptığı iş 24 J-24\text{ J}'dür.
III. Sistemin mekanik enerjisindeki azalma 30 J30\text{ J}'dür.

yargılarından hangileri doğrudur?

(Hava sürtünmesi önemsizdir; g=10 m/s2g = 10\text{ m/s}^2 alınız.)

Cevabı ve açıklamayı göster

Cevap: I ve III

Cevap

I ve III yargılarının doğru olduğunu belirten seçenek
Yerçekimi kuvveti XX cisminin hareket doğrultusuna dik olduğu için iş yapmaz. Sürtünme kuvveti korunumsuz bir kuvvet olup sistemin mekanik enerjisinde azalmaya neden olur. Bu azalma sürtünme kuvvetinin yaptığı işe eşit olup 15 N×2 m=30 J15\text{ N} \times 2\text{ m} = 30\text{ J} büyüklüğündedir. İpteki gerilme kuvvetinin YY cismi üzerinde yaptığı iş ise 36 J-36\text{ J} olduğundan doğru yanıt I ve III ifadelerini içeren seçenektir.

Adım Adım Çözüm

1
X cismine etki eden kinetik sürtünme kuvvetini hesaplayınız.
fs=15 Nf_s = 15\text{ N}
Yatay masa üzerindeki cismin normal kuvveti N=mXg=310=30 NN = m_X \cdot g = 3 \cdot 10 = 30\text{ N}'dur. Sürtünme kuvveti ise fs=μN=0,530=15 Nf_s = \mu \cdot N = 0,5 \cdot 30 = 15\text{ N} olarak bulunur.
2
Sistemin ivmesini ve ipteki gerilme kuvvetini bulunuz.
a=1 m/s2a = 1\text{ m/s}^2 ve T=18 NT = 18\text{ N}
Sistemi hareket ettiren net kuvvet Fnet=mYgfs=2015=5 NF_{\text{net}} = m_Y \cdot g - f_s = 20 - 15 = 5\text{ N}'dur. Newton'ın ikinci yasasına göre ivme a=FnetmX+mY=53+2=1 m/s2a = \frac{F_{\text{net}}}{m_X + m_Y} = \frac{5}{3 + 2} = 1\text{ m/s}^2 olur. Düşeydeki YY cismi için mYgT=mYa20T=21T=18 Nm_Y \cdot g - T = m_Y \cdot a \Rightarrow 20 - T = 2 \cdot 1 \Rightarrow T = 18\text{ N} bulunur.
3
Öncülleri iş ve enerji ilkelerine göre değerlendiriniz.
I ve III doğru, II yanlıştır.
I: Yerçekimi kuvveti XX cisminin hareket doğrultusuna dik olduğundan iş yapmaz (Wg=0W_g = 0). II: İp gerilmesi hareket yönüne zıt olduğundan YY üzerinde negatif iş yapar: WT=Th=182=36 JW_T = -T \cdot h = -18 \cdot 2 = -36\text{ J}'dür. III: Mekanik enerjideki azalma sürtünme kuvvetinin yaptığı işe eşittir: ΔEmek=Wfs=fsh=152=30 J\Delta E_{\text{mek}} = W_{f_s} = -f_s \cdot h = -15 \cdot 2 = -30\text{ J}'dür.

Anahtar Kavram

Sürtünmeli sistemlerde iş-enerji teoremi ve mekanik enerji değişimi
Tahmini Süre:2m 30s
Soru 67Soru

Kütleleri sırasıyla mX=3 kgm_X = 3\text{ kg} ve mY=2 kgm_Y = 2\text{ kg} olan XX ve YY cisimleri, sürtünmeli yatay masa ve sürtünmesiz makara düzeneğinde esnemeyen hafif bir ip yardımıyla birbirine bağlanmıştır. Yatay düzlem ile XX cismi arasındaki kinetik sürtünme katsayısı μ=0,5\mu = 0,5 olarak verilmiştir.

Sistem durgun halden serbest bırakıldıktan sonra YY cisminin 2 m2\text{ m} aşağı indiği anla ilgili;

I. İp gerilmesinin XX cismi üzerinde yaptığı iş 36 J36\text{ J}'dür.
II. Sistemde sürtünmeden dolayı açığa çıkan ısı enerjisi, sistemin toplam kinetik enerjisindeki artıştan daha büyüktür.
III. YY cisminin mekanik enerjisindeki değişim 36 J-36\text{ J}'dür.

yargılarından hangileri doğrudur? (Yer çekimi ivmesini g=10 m/s2g = 10\text{ m/s}^2 alınız; ip ve makaranın kütlesini ihmal ediniz.)

Cevabı ve açıklamayı göster

Cevap: I, II ve III

Cevap

Her üç öncül de doğru olduğundan doğru cevap I, II ve III seçeneğidir.
Yapılan hesaplamalarda; ip gerilmesinin X cismi üzerinde yaptığı işin 36 J olduğu, açığa çıkan ısı enerjisinin (30 J) toplam kinetik enerji artışından (10 J) büyük olduğu ve Y cisminin mekanik enerjisinin ip gerilmesinin yaptığı negatif iş nedeniyle 36 J azaldığı (değişimin -36 J olduğu) görülmektedir. Dolayısıyla her üç yargı da doğrudur.

Adım Adım Çözüm

1
Sistemin ivmesini Newton'ın ikinci hareket yasasını kullanarak hesaplayınız.
a=1 m/s2a = 1\text{ m/s}^2
Sisteme etki eden net kuvvet: Fnet=mYgfs=mYgμmXg=2(10)0,5(3)(10)=2015=5 NF_{\text{net}} = m_Y g - f_s = m_Y g - \mu m_X g = 2(10) - 0,5(3)(10) = 20 - 15 = 5\text{ N}'dur. Toplam kütle mX+mY=5 kgm_X + m_Y = 5\text{ kg} olduğundan, ivme a=FnetmX+mY=55=1 m/s2a = \frac{F_{\text{net}}}{m_X + m_Y} = \frac{5}{5} = 1\text{ m/s}^2 olarak bulunur.
2
İpteki gerilme kuvvetini (TT) ve ip gerilmesinin XX cismi üzerinde yaptığı işi hesaplayınız.
T=18 NT = 18\text{ N} ve WT=36 JW_T = 36\text{ J}
YY cismi için hareket denklemi: mYgT=mYa    20T=2(1)    T=18 Nm_Y g - T = m_Y a \implies 20 - T = 2(1) \implies T = 18\text{ N}'dur. Cisimler d=2 md = 2\text{ m} yol aldığında, ip gerilmesinin XX cismi üzerinde yaptığı iş: WT,X=Td=18×2=36 JW_{T,X} = T \cdot d = 18 \times 2 = 36\text{ J} olur. Bu durumda I. öncül doğrudur.
3
Açığa çıkan ısı enerjisini ve sistemin kinetik enerji artışını hesaplayıp karşılaştırınız.
Qısı=30 JQ_{\text{ısı}} = 30\text{ J} ve ΔEk=10 J\Delta E_k = 10\text{ J}
Sürtünme kuvvetinin yaptığı iş ısıya dönüşür: Qısı=fsd=15 N×2 m=30 JQ_{\text{ısı}} = f_s \cdot d = 15\text{ N} \times 2\text{ m} = 30\text{ J}. Cisimlerin 2 m2\text{ m} yer değiştirme sonundaki hızı v2=2ad=2(1)(2)=4 m2/s2    v=2 m/sv^2 = 2 a d = 2(1)(2) = 4\text{ m}^2\text{/s}^2 \implies v = 2\text{ m/s} olur. Sistemin toplam kinetik enerji artışı: ΔEk=12(mX+mY)v2=12(5)(4)=10 J\Delta E_k = \frac{1}{2}(m_X + m_Y)v^2 = \frac{1}{2}(5)(4) = 10\text{ J}'dur. 30 J>10 J30\text{ J} > 10\text{ J} olduğundan II. öncül doğrudur.
4
YY cisminin mekanik enerjisindeki değişimi hesaplayınız.
ΔEmek,Y=36 J\Delta E_{\text{mek},Y} = -36\text{ J}
YY cisminin mekanik enerjisindeki değişim, üzerine etki eden korunumsuz kuvvet olan ip gerilmesinin yaptığı işe eşittir. İp gerilmesi harekete ters yönlü olduğundan yaptığı iş: WT,Y=Td=18×2=36 JW_{T,Y} = -T \cdot d = -18 \times 2 = -36\text{ J}'dur. Dolayısıyla mekanik enerji 36 J36\text{ J} azalmıştır (değişim 36 J-36\text{ J}'dür). Bu durumda III. öncül doğrudur.

Anahtar Kavram

Bir sistemde dış veya korunumsuz kuvvetlerin yaptığı iş, sistemin mekanik enerjisindeki değişime eşittir. Sürtünme kuvvetinin yaptığı iş ısı enerjisine dönüşür.
Soru 68Soru

Sürtünme katsayısının μ=0,3\mu = 0,3 olduğu yatay bir konveyör bandı, v=6 m/sv = 6\text{ m/s} sabit hızla hareket etmektedir. Kütlesi 2 kg2\text{ kg} olan bir kutu, konveyör bandının üzerine yere göre ilk hızsız olarak yavaşça bırakılıyor.

Buna göre, kutu bant ile aynı hıza ulaşıncaya kadar geçen sürede konveyör bandını döndüren motorun bu süreçte yaptığı iş kaç joule'dür?
(Yer çekimi ivmesini g=10 m/s2g = 10\text{ m/s}^2 al��nız.)

Cevabı ve açıklamayı göster

Cevap: 72

Cevap

Motorun yaptığı iş 72 joule'dür.
Kutu bant üzerine bırakıldığında, aralarındaki sürtünme kuvveti kutuyu hızlandırırken bandı yavaşlatmaya çalışır. Bandın sabit hızla hareketine devam edebilmesi için motorun sürtünme kuvvetine eşit büyüklükte ve hareket yönünde bir kuvvet uygulaması gerekir. Kutu bantla aynı hıza ulaşıncaya kadar geçen süre olan 2 saniyede bandın aldığı yol 12 metredir. Dolayısıyla motorun yaptığı iş, uyguladığı kuvvet ile bandın aldığı yolun çarpımından 72 joule olarak bulunur.

Adım Adım Çözüm

1
Kutuya etki eden sürtünme kuvvetinin büyüklüğünü hesaplama
fs=μmg=0,3210=6 Nf_s = \mu \cdot m \cdot g = 0,3 \cdot 2 \cdot 10 = 6\text{ N}
Kutunun ivmesini ve motorun bandı sabit hızda tutmak için uygulaması gereken kuvveti bulmak amacıyla sürtünme kuvveti hesaplanır.
2
Kutunun ivmesini ve bantla aynı hıza ulaşması için geçen süreyi hesaplama
a=fsm=62=3 m/s2a = \frac{f_s}{m} = \frac{6}{2} = 3\text{ m/s}^2 ve t=va=63=2 st = \frac{v}{a} = \frac{6}{3} = 2\text{ s}
Kutunun ve bandın bu sürede alacağı yolları bulmak için hareket süresinin belirlenmesi gerekir.
3
Konveyör bandının bu sürede aldığı yolu hesaplama
xbant=vt=62=12 mx_{\text{bant}} = v \cdot t = 6 \cdot 2 = 12\text{ m}
Motor bandı sabit hızda tuttuğundan, bandın yaptığı yer değiştirme doğrusal olarak hesaplanır.
4
Motorun yaptığı işi hesaplama
Wmotor=Fxbant=612=72 JW_{\text{motor}} = F \cdot x_{\text{bant}} = 6 \cdot 12 = 72\text{ J}
Motorun bandı sabit hızda tutması için uygulaması gereken kuvvet sürtünme kuvvetine eşittir (F=fs=6 NF = f_s = 6\text{ N}). Bu kuvvetin bant üzerinde yaptığı iş motorun yaptığı iştir.

Anahtar Kavram

Sürtünmeli sistemlerde yapılan iş ve enerji korunumu
Tahmini Süre:2m 0s
Soru 69Soru

Düşey bir ip yardımıyla tavana asılı olan hafif ve esnemeyen bir ipe tırmanmakta olan mm kütleli bir sporcu, yukarı doğru sabit ivmeyle hızlanmaktadır.

Bu süreçte sporcu ve ipe ait kuvvetlerle ilgili;
I. İpin sporcuya uyguladığı düşey yukarı yönlü kuvvet ile sporcunun ipe uyguladığı düşey aşağı yönlü kuvvet bir etki-tepki kuvvet çiftidir.
II. Sporcu yukarı doğru hızlanan hareket yaptığı için ipin sporcuya uyguladığı kuvvetin büyüklüğü, sporcunun ipe uyguladığı kuvvetin büyüklüğünden fazladır.
III. Sporcuya etki eden net kuvvetin büyüklüğü, ipteki gerilme kuvvetinin büyüklüğü ile sporcunun ağırlığının skaler toplamına eşittir.

yargılarından hangileri doğrudur?

Cevabı ve açıklamayı göster

Cevap: Yalnız I

Cevap

Yalnız I
İpin sporcuya uyguladığı kuvvet ile sporcunun ipe uyguladığı kuvvet bir etki-tepki çiftidir. Etki-tepki kuvvetleri her zaman eşit büyüklükte ve zıt yönlüdür. Cisimlerin ivmeli hareket yapması bu eşitliği bozmaz. Bu nedenle birinci öncül doğrudur.

Adım Adım Çözüm

1
Etki-tepki kuvvet çifti tanımının birinci öncüle uygulanması
İpin sporcuya uyguladığı kuvvet ile sporcunun ipe uyguladığı kuvvet bir etki-tepki çiftidir.
Newton'ın üçüncü yasasına göre, her etkiye karşı eşit büyüklükte ve zıt yönde bir tepki kuvveti oluşur. Bu kuvvetler farklı cisimler (sporcu ve ip) üzerinde etki gösterir.
2
İvmelenme durumunun etki-tepki büyüklük ilişkisine etkisinin analiz edilmesi
İpin sporcuya uyguladığı kuvvetin b��yüklüğü, sporcunun ipe uyguladığı kuvvetin büyüklüğüne her zaman eşittir.
Sistemin ivmeli hareket yapması etki-tepki yasasını geçersiz kılmaz. İvme, sporcuya etki eden net dış kuvvetlerin (ip gerilmesi ve yerçekimi) dengelenmemiş olmasından kaynaklanır.
3
Sporcuya etki eden net kuvvetin vektörel olarak hesaplanması
Fnet=TGF_{\text{net}} = T - G (veya vektörel olarak Fnet=T+G\vec{F}_{\text{net}} = \vec{T} + \vec{G})
İp gerilmesi yukarı yönlü, sporcunun ağırlığı ise aşağı yönlüdür. Zıt yönlü bu iki vektörün net kuvvetini bulmak için büyüklüklerinin farkı alınmalıdır. Skaler toplama yapmak hatalıdır.

Anahtar Kavram

Newton'ın üçüncü yasası (Etki-Tepki Yasası) gereği etki-tepki kuvvet çiftleri farklı cisimlere etki eder, zıt yönlüdür ve büyüklükleri her zaman birbirine eşittir. Newton'ın ikinci yasası (Fnet=maF_{\text{net}} = ma) gereği net kuvvet hesaplanırken kuvvetlerin vektörel yönleri dikkate alınmalıdır.
Soru 70Soru

Düşey doğrultuda yukarı doğru hareket etmekte olan bir asansör, 2 m/s22\text{ m/s}^2 büyüklüğünde sabit ivmeyle yavaşlamaktadır. Asansörün tavanının tabanından yüksekliği 4 m4\text{ m} olduğu bir anda, tavana asılı olan bir cisim asansöre göre serbest bırakılıyor.

Cisim asansörün tabanına çarptığı anda asansörün yere göre hızı sıfır olduğuna göre, cismin serbest bırak��ldığı andan tabana çarpana kadar geçen sürede yere göre yer değiştirmesinin büyüklüğü kaç metredir?
(Hava direnci önemsizdir; yer çekimi ivmesi g=10 m/s2g = 10\text{ m/s}^2 alınız.)

Cevabı ve açıklamayı göster

Cevap: 3

Cevap

Cismin yer değiştirmesinin büyüklüğü 3 metredir.
Cisim asansöre göre serbest bırakıldığında, hem yer çekimi ivmesi (10 m/s210\text{ m/s}^2) hem de asansörün yavaşlama ivmesi (2 m/s22\text{ m/s}^2) aşağı yönlüdür. Bu durumda cismin asansöre göre bağıl ivmesi aşağı yönlü 8 m/s28\text{ m/s}^2 olur. 4 m4\text{ m}'lik mesafeyi bu bağıl ivmeyle 1 s1\text{ s} sürede alır. Çarpma anında asansörün hızı sıfır olduğuna göre, asansörün (ve dolayısıyla bırakıldığı anda cismin) ilk hızı yukarı doğru 2 m/s2\text{ m/s}'dir. Cismin yere göre yer değiştirmesi Δy=2(1)5(1)2=3 m\Delta y = 2(1) - 5(1)^2 = -3\text{ m} olur. Bu yer değiştirmenin büyüklüğü 3 metredir.

Adım Adım Çözüm

1
Cismin asansöre göre bağıl ivmesini belirleme
abag˘ıl=8 m/s2a_{\text{bağıl}} = 8\text{ m/s}^2 (aşağı doğru)
Yere göre cismin ivmesi yer çekimi ivmesi olup aşağı doğru 10 m/s210\text{ m/s}^2'dir. Yavaşlayan asansörün ivmesi ise yukarı yönlü hareket yönüne zıt, yani aşağı doğru 2 m/s22\text{ m/s}^2'dir. İki ivme de aynı yönlü olduğundan, cismin asansöre göre bağıl ivmesi abag˘ıl=gaasanso¨r=102=8 m/s2a_{\text{bağıl}} = g - a_{\text{asansör}} = 10 - 2 = 8\text{ m/s}^2 olur.
2
Cismin asansörün tabanına düşme süresini hesaplama
t=1 st = 1\text{ s}
Cisim asansöre göre serbest bırakıldığından, h=12abag˘ılt2h = \frac{1}{2} a_{\text{bağıl}} t^2 bağıntısı geçerlidir. Buradan 4=128t2    t2=1    t=1 s4 = \frac{1}{2} \cdot 8 \cdot t^2 \implies t^2 = 1 \implies t = 1\text{ s} bulunur.
3
Asansörün serbest bırakılma anındaki ilk hızını bulma
v0=2 m/sv_0 = 2\text{ m/s} (yukarı doğru)
Asansörün 1 s1\text{ s} sonraki hızı sıfır olduğuna ve aşağı doğru 2 m/s22\text{ m/s}^2 ivmeyle yavaşladığına göre, v=v0aasanso¨rt    0=v021    v0=2 m/sv = v_0 - a_{\text{asansör}} t \implies 0 = v_0 - 2 \cdot 1 \implies v_0 = 2\text{ m/s} olur.
4
Cismin yere göre yer değiştirmesini hesaplama
Δy=3 m\Delta y = -3\text{ m} (Büyüklüğü 3 m3\text{ m})
Cismin yere göre ilk hızı asansörün ilk hızı ile aynı olup yukarı doğru 2 m/s2\text{ m/s}'dir. Yere göre yer değiştirmesi Δy=v0t12gt2\Delta y = v_0 t - \frac{1}{2} g t^2 formülü ile hesaplanır. Buradan Δy=21512=3 m\Delta y = 2 \cdot 1 - 5 \cdot 1^2 = -3\text{ m} elde edilir. Yer değiştirmenin büyüklüğü 3 m3\text{ m}'dir.

Anahtar Kavram

İvmeli referans sistemlerinde bağıl hareket ve yere göre bir boyutta sabit ivmeli hareket analizi.

Alternatif Yöntem

Yere göre eylemsiz referans sistemi yerine, asansörün ivmeli (eylemsiz olmayan) referans sistemini kullanarak cismin hareket süresini bulduktan sonra, doğrudan yer çekimi ivmeli serbest düşme formülleri ile yere göre analiz yapılabilir.
Tahmini Süre:2m 0s
Soru 71Soru

Yatay konumda bulunan ve sabit vv hızıyla hareket etmekte olan bir yürüyen bandın üzerine mm kütleli bir kutu, banda göre ilk hızsız olarak bırakılıyor. Kutu, bant ile arasındaki sürtünme nedeniyle hızlanarak bant ile aynı hıza ulaşıyor. Kutu ile bant arasındaki kinetik sürtünme katsayısı μ\mu olup sabittir.

Kutunun banda göre kaymasının sona erdiği ve bantla birlikte sabit hızla hareket etmeye başladığı ana kadar geçen sürede;

I. Sürtünme kuvvetinin kutu üzerinde yaptığı iş 12mv2\frac{1}{2}mv^2 kadardır.

II. Yürüyen bandın motorunun bu süreçte fazladan yaptığı iş mv2mv^2 kadardır.

III. Sürtünmeden dolayı ısıya dönüşen enerji 12mv2\frac{1}{2}mv^2 kadardır.

yargılarından hangileri doğrudur?

Cevabı ve açıklamayı göster

Cevap: I, II ve III

Cevap

Sürtünme kuvvetinin kutu üzerinde yaptığı iş, motorun yaptığı fazladan iş ve ısıya dönüşen enerjiye dair ifadelerin tamamı doğrudur.
Kutunun hızlanması için sürtünme kuvveti hareket yönünde etki eder ve pozitif iş yaparak kutuya kinetik enerji kazandırır. Bant bu sürede daha fazla yol alacağı için motorun yaptığı iş kutunun kazandığı kinetik enerjinin iki katı olur ve aradaki fark ısıya dönüşür. Bu nedenle tüm ifadeler doğrudur.

Adım Adım Çözüm

1
Kutunun ivmesini ve hızlanma süresini belirleme
Kutunun ivmesi a=μga = \mu g ve bandın hızına ulaşma süresi t=vμgt = \frac{v}{\mu g} olur.
Kutuyu hızlandıran tek kuvvet, bant ile kutu arasındaki kinetik sürtünme kuvvetidir (fs=μmgf_s = \mu m g).
2
Kutunun aldığı yolu ve sürtünme kuvvetinin yaptığı işi hesaplama
Kutunun aldığı yol xkutu=12at2=v22μgx_{\text{kutu}} = \frac{1}{2} a t^2 = \frac{v^2}{2 \mu g} ve sürtünme kuvvetinin kutu üzerinde yaptığı iş Wsu¨rtu¨nme=fsxkutu=12mv2W_{\text{sürtünme}} = f_s \cdot x_{\text{kutu}} = \frac{1}{2} m v^2 olur.
Sürtünme kuvveti kutunun hareket yönünde olduğundan pozitif iş yapar ve kutunun kinetik enerjisini artırır.
3
Bandın aldığı yolu ve motorun yaptığı işi hesaplama
Bandın aldığı yol xbant=vt=v2μgx_{\text{bant}} = v \cdot t = \frac{v^2}{\mu g} ve motorun bu süreçte fazladan yaptığı iş Wmotor=fsxbant=mv2W_{\text{motor}} = f_s \cdot x_{\text{bant}} = m v^2 olur.
Bandın sabit hızla hareket etmesi için motorun sürtünme kuvvetine eşit büyüklükte bir kuvvet uygulaması gerekir.
4
Isıya dönüşen enerjiyi hesaplama
Isıya dönüşen enerji Eısı=WmotorΔEk=mv212mv2=12mv2E_{\text{ısı}} = W_{\text{motor}} - \Delta E_k = m v^2 - \frac{1}{2} m v^2 = \frac{1}{2} m v^2 olur.
Enerjinin korunumu yasasına göre, motorun sisteme aktardığı enerjinin bir kısmı kutunun kinetik enerjisine dönüşürken geri kalanı sürtünme nedeniyle ısıya dönüşür.

Anahtar Kavram

İş-Enerji Teoremi ve Sürtünmeli Sistemlerde Enerji Korunumu
Soru 72Soru

Yer çekimi ivmesinin her noktada aynı (homojen) kabul edildiği bir ortamda bulunan türdeş bir cismin kütle merkezi ile ağırlık merkezinin çakışık (aynı konumda) olduğu yönündeki önerme doğru mudur?

Cevabı ve açıklamayı göster

Cevap: True

Cevap

Yer çekimi ivmesinin homojen olduğu ortamlarda türdeş cisimlerin kütle merkezi ile ağırlık merkezinin çakışık olduğu önermesi doğrudur.
Yer çekimi ivmesinin her noktada sabit olduğu homojen bir alanda, cismin tüm noktalarına etki eden birim kütle başına düşen yer çekimi kuvveti değişmediği için kütle merkezi ile ağırlık merkezi tamamen aynı noktaya denk gelir.

Adım Adım Çözüm

1
Kütle ve ağırlık merkezlerinin genel matematiksel tanımlarını karşılaştırın.
Kütle merkezi konumu rKM=mirimi\vec{r}_{KM} = \frac{\sum m_i \vec{r}_i}{\sum m_i} ile, ağırlık merkezi konumu ise yer çekimi ivmesi g\vec{g} dahil edilerek rAM=migirimigi\vec{r}_{AM} = \frac{\sum m_i \vec{g}_i \vec{r}_i}{\sum m_i \vec{g}_i} ile ifade edilir.
İki merkezin koordinat formüllerindeki yapısal farkı ve yer çekimi ivmesinin etkisini görmek için.
2
Homojen yer çekimi alanının etkisini ağırlık merkezi formülüne uygulayın.
Yer çekimi ivmesi cismin her noktasında aynı olduğundan (gi=g\vec{g}_i = \vec{g}), formüldeki g\vec{g} terimleri ortak paranteze alınarak sadeleşir ve rAM=gmirigmi=rKM\vec{r}_{AM} = \frac{\vec{g} \sum m_i \vec{r}_i}{\vec{g} \sum m_i} = \vec{r}_{KM} eşitliği elde edilir.
Yer çekimi ivmesinin sabit olmasının iki merkez arasındaki koordinat farkını nasıl ortadan kaldırdığını kanıtlamak için.
3
Elde edilen matematiksel eşitliği sorudaki önerme ile kıyaslayın.
Matematiksel olarak rAM=rKM\vec{r}_{AM} = \vec{r}_{KM} eşitliği sağlandığı için önerme doğrudur.
Çözümü tamamlayıp doğruluğu kesinleştirmek için.

Anahtar Kavram

Yer çekimi ivmesinin homojen olduğu ortamlarda kütle merkezi ile ağırlık merkezinin çakışması
Tahmini Süre:1m 0s
Soru 73Soru

Bir asansörün tavanına asılı olan kütlesi önemsiz ipin ucuna 5 kg5\text{ kg} kütleli bir cisim bağlanmıştır. Asansör yukar�� yönde 2 m/s22\text{ m/s}^2 büyüklüğünde sabit ivmeyle hızlanırken ipte oluşan gerilme kuvvetinin büyüklüğü T1T_1, aşağı yönde 2 m/s22\text{ m/s}^2 büyüklüğünde sabit ivmeyle hızlanırken ipte oluşan gerilme kuvvetinin büyüklüğü T2T_2 olmaktadır. Buna göre, ip gerilmelerinin oranı olan T1T2\frac{T_1}{T_2} değeri kaçtır? (Yer çekimi ivmesini g=10 m/s2g = 10\text{ m/s}^2 alınız.)

Cevabı ve açıklamayı göster

Cevap: 1.5

Cevap

İp gerilmelerinin oranı 1,5 olarak bulunur.
Yukarı yönde hızlanan asansörde ivme yukarı yönlü olduğundan net kuvvet yukarı doğrudur ve T1mg=ma    T1=m(g+a)=60 NT_1 - mg = ma \implies T_1 = m(g+a) = 60\text{ N} olur. Aşağı yönde hızlanan asansörde ivme aşağı yönlü olduğundan net kuvvet aşağı doğrudur ve mgT2=ma    T2=m(ga)=40 Nmg - T_2 = ma \implies T_2 = m(g-a) = 40\text{ N} olur. Bu iki gerilme kuvvetinin oranı 6040=1,5\frac{60}{40} = 1,5 olarak bulunur.

Adım Adım Çözüm

1
Yukarı doğru hızlanan asans��rdeki cismin dinamik denklemini yazmak ve birinci durumdaki ip gerilmesini hesaplamak.
T1=60 NT_1 = 60\text{ N}
Asansör yukarı doğru hızlandığı için ivme vektörü yukarı yönlüdür. Cisme etki eden net kuvvet Newton'ın ikinci yasasına göre Fnet=T1mg=maF_{\text{net}} = T_1 - mg = m \cdot a şeklinde yazılır. Buradan T1=m(g+a)=5(10+2)=60 NT_1 = m(g + a) = 5 \cdot (10 + 2) = 60\text{ N} elde edilir.
2
Aşağı doğru hızlanan asansördeki cismin dinamik denklemini yazmak ve ikinci durumdaki ip gerilmesini hesaplamak.
T2=40 NT_2 = 40\text{ N}
Asansör aşağı doğru hızlandığı için ivme vektörü aşağı yönlüdür. Cisme etki eden net kuvvet Newton'ın ikinci yasasına göre Fnet=mgT2=maF_{\text{net}} = mg - T_2 = m \cdot a şeklinde yazılır. Buradan T2=m(ga)=5(102)=40 NT_2 = m(g - a) = 5 \cdot (10 - 2) = 40\text{ N} elde edilir.
3
Birinci ve ikinci durumlardaki gerilme kuvvetlerini oranlamak.
T1T2=1,5\frac{T_1}{T_2} = 1,5
Soruda istenen ip gerilmelerinin oranı, bulunan değerlerin birbirine bölünmesiyle 6040=1,5\frac{60}{40} = 1,5 olarak hesaplanır.

Anahtar Kavram

İvmeli hareket eden referans sistemlerindeki cisimlerin hareketinin Newton'ın ikinci yasasıyla incelenmesi.
Soru 74Soru

Doğrusal bir yolda sabit ivmeyle hızlanan bir araç, yol üzerindeki ardışık KK, LL ve MM noktalarından sırasıyla geçmektedir. Aracın KK ve LL noktaları arasındaki mesafeyi geçme s��resi t1=4 st_1 = 4\text{ s}, LL ve MM noktaları arasındaki mesafeyi geçme süresi ise t2=2 st_2 = 2\text{ s}'dir.

KLK-L ve LML-M noktaları arasındaki uzaklıklar birbirine eşit ve dd kadar olduğuna göre, aracın ivmesinin büyüklüğü aşağıdakilerden hangisine eşittir?

Cevabı ve açıklamayı göster

Cevap: d12\frac{d}{12}

Cevap

Aracın ivmesinin büyüklüğü d12\frac{d}{12}'dir.
K-L ve L-M aralıkları için yazılan hareket denklemleri birleştirildiğinde, aracın K noktasındaki ilk hızı yok edilerek ivmesinin büyüklüğü d12\frac{d}{12} olarak bulunur.

Adım Adım Çözüm

1
K-L aralığı için hareket denklemini yazmak.
d=4vK+8ad = 4v_K + 8a
Sabit ivmeli doğrusal harekette alınan yol denklemi x=v0t+12at2x = v_0 t + \frac{1}{2} a t^2 şeklindedir. Burada ilk hız vKv_K ve süre t1=4 st_1 = 4\text{ s} olduğundan d=vK4+12a42=4vK+8ad = v_K \cdot 4 + \frac{1}{2} a \cdot 4^2 = 4v_K + 8a elde edilir.
2
L noktasındaki hızı ifade edip L-M aralığı için hareket denklemini yazmak.
vL=vK+4av_L = v_K + 4a ve d=2vK+10ad = 2v_K + 10a
Aracın L noktasındaki hızı vL=vK+at1=vK+4av_L = v_K + a \cdot t_1 = v_K + 4a olur. L-M aralığı için alınan yol d=vLt2+12at22d = v_L \cdot t_2 + \frac{1}{2} a t_2^2 formülünden, t2=2 st_2 = 2\text{ s} yazıldığında d=2(vK+4a)+12a22=2vK+10ad = 2(v_K + 4a) + \frac{1}{2} a \cdot 2^2 = 2v_K + 10a olarak bulunur.
3
Elde edilen iki denklemi ortak çözerek ivmeyi yalnız bırakmak.
a=d12a = \frac{d}{12}
Birinci denklemden vK=d42av_K = \frac{d}{4} - 2a çekilir. Bu ifade ikinci denklemde yerine yazıldığında d=2(d42a)+10ad=d24a+10ad2=6aa=d12d = 2(\frac{d}{4} - 2a) + 10a \Rightarrow d = \frac{d}{2} - 4a + 10a \Rightarrow \frac{d}{2} = 6a \Rightarrow a = \frac{d}{12} bulunur.

Anahtar Kavram

Sabit ivmeli doğrusal harekette konum, zaman ve hız ilişkileri kullanılarak denklem sistemlerinin kurulması ve çözülmesi.
Soru 75Soru

Kütleleri mK=3 kgm_K = 3\text{ kg} ve mL=2 kgm_L = 2\text{ kg} olan KK ve LL kutuları, yatay bir zeminde yan yana duracak şekilde yerleştirilmiştir. Kutular ile zemin arasındaki statik sürtünme katsayısı μs=0,4\mu_s = 0,4, kinetik sürtünme katsayısı ise μk=0,3\mu_k = 0,3'tür. KK kutusuna yatay doğrultuda F=25 NF = 25\text{ N} büyüklüğünde bir kuvvet uygulandığına göre;

I. KK kutusunun LL kutusuna uyguladığı etki kuvveti ile LL kutusunun KK kutusuna uyguladığı tepki kuvvetinin büyüklüğü 10 N10\text{ N}'dur.
II. Etki ve tepki kuvvetleri farklı cisimler üzerine etki ettiğinden birbirini dengelemez ve bileşkeleri sıfır olarak alınamaz.
III. Cisimler hareket halindeyken sisteme etki eden toplam sürtünme kuvveti 20 N20\text{ N} büyüklüğündedir.

yargılarından hangileri doğrudur? (g=10 m/s2g = 10\text{ m/s}^2)

Cevabı ve açıklamayı göster

Cevap: I ve II

Cevap

Birinci ve ikinci yargılar doğrudur. Kutular arasındaki temas kuvvetinin büyüklüğü 10 N olup, bu kuvvetler birbirinin etki-tepki çiftidir ve farklı cisimlere uygulandıklarından bileşkeleri sıfır değildir. Hareket durumunda kinetik sürtünme etkin olduğundan toplam sürtünme 15 N'dur.
Kutular uygulanan kuvvet etkisiyle harekete geçer çünkü uygulanan kuvvet (25 N) maksimum statik sürtünme sınırını (20 N) aşar. Hareket başladığı için kinetik sürtünme kuvveti (15 N) etki eder, bu nedenle üçüncü yargı yanlıştır. Sistemin ivmesi 2 m/s² olup, kutular arasındaki temas kuvvetinin büyüklüğü 10 N olarak hesaplanır (birinci yargı doğrudur). Etki-tepki kuvvet çiftleri farklı cisimler üzerinde olduğundan bileşkeleri sıfır değildir ve birbirlerini dengelemezler (ikinci yargı doğrudur).

Adım Adım Çözüm

1
Sistemin harekete geçip geçmeyeceğini belirlemek için maksimum statik sürtünme kuvvetini hesaplayın.
fs,max=μs(mK+mL)g=0,4(3+2)10=20 Nf_{s,max} = \mu_s \cdot (m_K + m_L) \cdot g = 0,4 \cdot (3 + 2) \cdot 10 = 20\text{ N}
Uygulanan 25 N25\text{ N} büyüklüğündeki yatay kuvvet, sistemin maksimum statik sürtünme kuvveti eşiği olan 20 N20\text{ N} değerini aştığı için sistem harekete geçer.
2
Sistem hareket halinde oldu��undan kinetik sürtünme kuvvetini ve sistemin ivmesini bulun.
fk=μk(mK+mL)g=0,3510=15 Nf_k = \mu_k \cdot (m_K + m_L) \cdot g = 0,3 \cdot 5 \cdot 10 = 15\text{ N} ve a=FfkmK+mL=25155=2 m/s2a = \frac{F - f_k}{m_K + m_L} = \frac{25 - 15}{5} = 2\text{ m/s}^2
Cisimler hareket ettiğinde kinetik sürtünme kuvveti geçerli olur. Net kuvvet ivmeyi belirler.
3
L kutusuna etki eden kuvvet dengesini yazarak K'nin L'ye uyguladığı kuvveti bulun.
Nfk,L=mLa    NμkmLg=mLa    N0,3210=22    N6=4    N=10 NN - f_{k,L} = m_L \cdot a \implies N - \mu_k \cdot m_L \cdot g = m_L \cdot a \implies N - 0,3 \cdot 2 \cdot 10 = 2 \cdot 2 \implies N - 6 = 4 \implies N = 10\text{ N}
L kutusuna etki eden yatay kuvvetler, K'nin uyguladığı temas kuvveti (sağa) ve kinetik sürtünme kuvvetidir (sola). Bu fark, L kutusunun net kuvvetine eşittir.
4
Etki-tepki yasasını ve kuvvetlerin uygulama noktalarını analiz edin.
K'nin L'ye uyguladığı etki kuvveti ile L'nin K'ye uyguladığı tepki kuvveti eşit büyüklükte (10 N) ve zıt yönlüdür. Bu kuvvetler farklı cisimlere etki ettiği için birbirini dengelemez.
Newton'ın üçüncü yasasına göre etki-tepki çiftleri aynı cisme uygulanamaz, bu nedenle bileşkeleri sıfır olamaz.

Anahtar Kavram

Sürtünmeli yüzeylerde Newton'ın ikinci ve üçüncü yasalarının uygulanması, statik-kinetik sürtünme ayrımı ve etki-tepki kuvvet çiftlerinin özellikleri.
Soru 76Soru

Sürtünmesiz yatay bir yolda v0=2 m/sv_0 = 2\text{ m/s} hızla hareket etmekte olan 5 kg5\text{ kg} kütleli bir koliye, hareketiyle aynı doğrultuda iki yatay kuvvet uygulanmaktadır. Kuvvetlerin yönleri ve büyüklükleri F1=25 N\vec{F}_1 = 25\text{ N} (hareket yönünde) ve F2=9 N\vec{F}_2 = 9\text{ N} (hareket yönüne ters) şeklindedir. Koli bu kuvvetlerin etkisinde 5 m5\text{ m} yer değiştirdiğinde son kinetik enerjisi kaç joule olur?

Cevabı ve açıklamayı göster

Cevap: 90

Cevap

90
İş-enerji teoremine göre net kuvvetin yaptığı iş, cismin kinetik enerjisindeki değişime eşittir. Cismin başlangıçtaki kinetik enerjisi 10 J'dur. Zıt yönlü kuvvetlerin oluşturduğu net kuvvet 16 N olup, 5 metrelik yer değiştirme boyunca yapılan net iş 80 J'dur. Bu iş ilk kinetik enerjiye eklendiğinde son kinetik enerji 90 J olarak elde edilir.

Adım Adım Çözüm

1
Cismin ilk kinetik enerjisini hesaplama
Eki=10 JE_{ki} = 10\text{ J}
İş-enerji teoremini uygulamak için başlangıçtaki kinetik enerjinin bilinmesi gerekir. Formül: Eki=12mv02=12×5×22=10 JE_{ki} = \frac{1}{2} m v_0^2 = \frac{1}{2} \times 5 \times 2^2 = 10\text{ J}
2
Cisme etki eden net kuvveti bulma
Fnet=16 NF_{net} = 16\text{ N}
Zıt yönlü kuvvetlerin bileşkesi alınarak net kuvvet bulunur. Hareket yönü pozitif seçildiğinde: Fnet=F1F2=259=16 NF_{net} = F_1 - F_2 = 25 - 9 = 16\text{ N}
3
Net kuvvetin yaptığı işi hesaplama
Wnet=80 JW_{net} = 80\text{ J}
Net kuvvet ile yer değiştirmenin çarpımı net işi verir. Formül: Wnet=Fnet×Δx=16×5=80 JW_{net} = F_{net} \times \Delta x = 16 \times 5 = 80\text{ J}
4
Son kinetik enerjiyi bulma
Ekf=90 JE_{kf} = 90\text{ J}
Yapılan net iş, cismin kinetik enerjisindeki değişime eşittir. Formül: Wnet=EkfEkiEkf=Eki+Wnet=10+80=90 JW_{net} = E_{kf} - E_{ki} \Rightarrow E_{kf} = E_{ki} + W_{net} = 10 + 80 = 90\text{ J}

Anahtar Kavram

İş-Enerji Teoremi ve Net İş
Soru 77Soru

Sürtünmeli yatay bir masa üzerinde bulunan m1=4 kgm_1 = 4\text{ kg} kütleli bir blok, masanın ucundaki sürtünmesiz ve hafif bir makara üzerinden geçen esnemeyen hafif bir iple m2=3 kgm_2 = 3\text{ kg} kütleli asılı bir bloğa bağlanmıştır. Blok ile masa yüzeyi arasındaki statik sürtünme katsayısı μs=0,5\mu_s = 0,5, kinetik sürtünme katsayısı ise μk=0,4\mu_k = 0,4'tür. Sistem durgun hâlden serbest bırakıldığına göre, hareket sürecinde cisimlerin ivmesi kaç m/s2\text{m/s}^2 olur? (Yer çekimi ivmesini g=10 m/s2g = 10\text{ m/s}^2 alınız; ip ve makaranın kütlesini ihmal ediniz.)

Cevabı ve açıklamayı göster

Cevap: 2

Cevap

Sistemin ivmesi 2 m/s22\text{ m/s}^2 olarak bulunur.
Sistem serbest bırakıldığında, asılı duran bloğun ağırlığı (30 N30\text{ N}), masa üzerindeki bloğa etki eden maksimum statik sürtünme kuvvetinden (20 N20\text{ N}) büyük olduğu için sistem harekete geçer. Hareket başladıktan sonra masa üzerindeki bloğa kinetik sürtünme kuvveti (16 N16\text{ N}) etki eder. Sisteme uygulanan net kuvvet 30 N16 N=14 N30\text{ N} - 16\text{ N} = 14\text{ N} olup, toplam 7 kg7\text{ kg} kütleyi ivmelendirir. Buradan Newton'ın ikinci yasasına göre ivme 2 m/s22\text{ m/s}^2 bulunur.

Adım Adım Çözüm

1
m1m_1 kütleli cisme etki eden maksimum statik sürtünme kuvvetini bulmak.
fs,max=20 Nf_{s,\max} = 20\text{ N}
Sistemin harekete geçip geçmeyeceğini belirlemek için bu limit değer gereklidir.
2
m2m_2 kütleli cismin ağırlığını hesaplamak ve maksimum statik sürtünme kuvvetiyle karşılaştırmak.
G2=30 NG_2 = 30\text{ N}. 30 N>20 N30\text{ N} > 20\text{ N} olduğundan sistem hareket eder.
Harekete geçiş koşulunu doğrulamak.
3
Hareket halindeki m1m_1 cismine etki eden kinetik sürtünme kuvvetini hesaplamak.
fk=16 Nf_k = 16\text{ N}
Hareket sırasında ivmeyi belirleyen sürtünme kuvveti kinetik sürtünmedir.
4
Net kuvvet ve toplam kütle yardımıyla Newton'ın ikinci yasasını uygulayarak ivmeyi hesaplamak.
a=2 m/s2a = 2\text{ m/s}^2
Fnet=mtoplamaF_{\text{net}} = m_{\text{toplam}} \cdot a formülüyle sistemin ortak ivmesini bulmak.

Anahtar Kavram

Statik ve kinetik sürtünme kuvvetleri arasındaki fark ile Newton'ın İkinci Hareket Yasası'nın sisteme uygulanması.
Soru 78Soru

Yatay ve sürtünmesiz bir düzlem üzerinde durmakta olan M=3 kgM = 3\text{ kg} kütleli, sürtünmesiz eğik düzlemin (takoz) en üst noktasından m=1 kgm = 1\text{ kg} kütleli bir blok serbest bırakılıyor. Blok eğik düzlem boyunca kayarak en alt noktaya ulaşıyor ve takozu yatay doğrultuda terk ediyor. Bloğun takozu terk ettiği anda, bloğun takoza göre hızının yatay bileşeninin büyüklüğü 8 m/s8\text{ m/s} olarak ölçülüyor. Buna göre, bu süreçte bloğun takoza uyguladığı itmenin yatay bileşeninin büyüklüğü kaç Ns\text{N}\cdot\text{s}'dir?

Cevabı ve açıklamayı göster

Cevap: 6

Cevap

Bloğun takoza uyguladığı itmenin yatay bileşeninin büyüklüğü 6 N·s'dir.
Sisteme yatay doğrultuda etki eden net dış kuvvet sıfır olduğu için yatay çizgisel momentum korunur. Takozun sola doğru hızı VV ise, bloğun sağa doğru takoza göre bağıl hızı 8 m/s8\text{ m/s} olduğundan yere göre hızı 8V8-V olur. Yatay momentumun korunumundan (1(8V)3V=01 \cdot (8-V) - 3 \cdot V = 0) takozun son hızı 2 m/s2\text{ m/s} bulunur. Takozun momentumundaki değişim yatay itmeye eşit olup, büyüklüğü 3 kg×2 m/s=6 Ns3\text{ kg} \times 2\text{ m/s} = 6\text{ N}\cdot\text{s} olarak hesaplanır. Etki-tepki prensibi gereğince bloğun takoza uyguladığı yatay itme de aynı büyüklükte olur.

Adım Adım Çözüm

1
Yatay doğrultuda çizgisel momentumun korunumunu belirlemek
Sisteme yatay doğrultuda etki eden net dış kuvvet sıfır olduğundan, yatay doğrultudaki toplam çizgisel momentum korunur (Pilk,x=Pson,x=0P_{ilk, x} = P_{son, x} = 0). Düşey doğrultuda ise yer çekimi ve yerin tepki kuvveti nedeniyle momentum korunmaz.
İtme-momentum ilişkisinde dış kuvvetlerin yönü momentumun korunacağı ekseni belirler.
2
Bağıl hareket bağıntısını kullanarak bloğun yere göre yatay hızını takozun hızı cinsinden yazmak
Takoz sola doğru VV hızıyla hareket ediyorsa, hız vektörü Vtakoz=Vi^\vec{V}_{takoz} = -V \hat{i} olur. Bloğun takoza göre hızı sağa doğru 8 m/s8\text{ m/s} olduğuna göre, bloğun yere göre yatay hızı vblok=(8V)i^\vec{v}_{blok} = (8 - V) \hat{i} olur.
Momentum korunumunda hızların aynı referans sistemine (yere göre) göre yazılması gerekir.
3
Yatay momentumun korunumunu yazarak takozun son hızını bulmak
mvblokMV=01(8V)3V=084V=0V=2 m/sm \cdot v_{blok} - M \cdot V = 0 \Rightarrow 1 \cdot (8 - V) - 3 \cdot V = 0 \Rightarrow 8 - 4V = 0 \Rightarrow V = 2\text{ m/s} bulunur.
Sistemin ilk momentumu sıfır olduğu için son momentum vektörlerinin toplamı da sıfır olmalıdır.
4
Takoza uygulanan yatay itmeyi hesaplamak
Ix=ΔPtakoz=MV=3 kg2 m/s=6 NsI_x = \Delta P_{takoz} = M \cdot V = 3\text{ kg} \cdot 2\text{ m/s} = 6\text{ N}\cdot\text{s}. Etki-tepki prensibi gereği bloğun takoza uyguladığı yatay itmenin büyüklüğü de buna eşittir ve 6 Ns6\text{ N}\cdot\text{s}'dir.
Bir cisme uygulanan itme, o cismin momentumundaki değişime eşittir (I=ΔPI = \Delta P).

Anahtar Kavram

Yatay doğrultuda net dış kuvvet sıfır olduğu için çizgisel momentumun korunması ve bağıl hareket yardımıyla momentum değişiminin (itmenin) hesaplanması.

Alternatif Yöntem

Kütle merkezi çerçevesinde analiz: Sistemin kütle merkezinin yatay hızı başlangıçta sıfırdır ve dış yatay kuvvet olmadığından sıfır kalmaya devam eder. Kütle merkezine göre bloğun kütlesi mm ve takozun kütlesi MM ters yönlerde hızlara sahiptir. Bağıl hız vrel=vblokvtakoz=8 m/sv_{rel} = v_{blok} - v_{takoz} = 8\text{ m/s} ise, kütle merkezine göre takozun hızı vtakoz=mM+mvrel=14×8=2 m/sv'_{takoz} = -\frac{m}{M+m} v_{rel} = -\frac{1}{4} \times 8 = -2\text{ m/s} olur. Buradan takozun kütle merkezine göre (ve dolayısıyla yere göre) hız değişimi büyüklüğü 2 m/s2\text{ m/s} bulunur. İtme ise MΔV=32=6 NsM \cdot \Delta V = 3 \cdot 2 = 6\text{ N}\cdot\text{s} olarak elde edilir.
Tahmini Süre:3m 0s
Soru 79Soru

Yatay ve sürtünmesiz bir düzlemde, 2 kg2\text{ kg} kütleli KK cismi +x+x yönünde 4 m/s4\text{ m/s} hızla, 3 kg3\text{ kg} kütleli LL cismi ise +y+y yönünde 3 m/s3\text{ m/s} hızla hareket etmektedir. Bu iki cisim orijinde çarpışarak kenetleniyor. Buna göre, çarpışma sırasında KK cisminin LL cismine uyguladığı itmenin büyüklüğü kaç Ns\text{N}\cdot\text{s}'dir?

Cevabı ve açıklamayı göster

Cevap: 6

Cevap

Çarpışma sırasında K cisminin L cismine uyguladığı itmenin büyüklüğü 6 N·s'dir.
Çarpışma süresince K cisminin L cismine uyguladığı itme, L cisminin momentumundaki değişime eşittir. L'nin son momentumu ile ilk momentumu arasındaki vektörel fark alındığında ΔpL=4.8i3.6j kgm/s\Delta\vec{p}_L = 4.8\vec{i} - 3.6\vec{j}\text{ kg}\cdot\text{m/s} vektörü elde edilir. Bu vektörün büyüklüğü Pisagor teoremiyle 4.82+(3.6)2=6 Ns\sqrt{4.8^2 + (-3.6)^2} = 6\text{ N}\cdot\text{s} olarak hesaplanır.

Adım Adım Çözüm

1
Çarpışma öncesi çizgisel momentum vektörlerini hesaplama
K cisminin çizgisel momentumu pK,i=8i kgm/s\vec{p}_{K,i} = 8\vec{i}\text{ kg}\cdot\text{m/s}, L cisminin çizgisel momentumu pL,i=9j kgm/s\vec{p}_{L,i} = 9\vec{j}\text{ kg}\cdot\text{m/s}
Çizgisel momentum p=mv\vec{p} = m\vec{v} formülüyle hesaplanan vektörel bir büyüklüktür ve çarpışma sonrası ortak hızı bulmak için başlangıç momentumları vektörel olarak ifade edilmelidir.
2
Çarpışma sonrası ortak hızı bulma
Ortak hız vektörü vf=1.6i+1.8j m/s\vec{v}_f = 1.6\vec{i} + 1.8\vec{j}\text{ m/s}
Sürtünmesiz yatay düzlemdeki çarpışmada dış kuvvet etki etmediğinden sistemin toplam çizgisel momentumu korunur: Pilk=Pson\vec{P}_{ilk} = \vec{P}_{son}.
3
L cisminin çarpışma sonrası momentumunu ve momentum değişimini bulma
L cisminin son momentumu pL,f=4.8i+5.4j kgm/s\vec{p}_{L,f} = 4.8\vec{i} + 5.4\vec{j}\text{ kg}\cdot\text{m/s}, momentum değişimi ΔpL=4.8i3.6j kgm/s\Delta\vec{p}_L = 4.8\vec{i} - 3.6\vec{j}\text{ kg}\cdot\text{m/s}
L cismine etki eden itme, L cisminin momentumundaki değişime eşittir (I=Δp\vec{I} = \Delta\vec{p}).
4
Momentum değişim vektörünün büyüklüğünü hesaplama
ΔpL=6 Ns|\Delta\vec{p}_L| = 6\text{ N}\cdot\text{s}
Vektörün büyüklüğü bileşenlerin karelerinin toplamının karekökü alınarak bulunur.

Anahtar Kavram

İtme-momentum ili��kisi ve iki boyutta esnek olmayan çarpışmalarda momentum korunumu
Soru 80Soru

Sürtünmesiz yatay düzlemde aralarında dd uzaklığı bulunan mK=3 kgm_K = 3\text{ kg} ve mL=1 kgm_L = 1\text{ kg} kütleli KK ve LL cisimleri, boyu dd olan esnemeyen hafif bir iple birbirine bağlıdır. Cisimler başlangıçta durgun ve ip doğrusal fakat gerilmesizdir. t=0t = 0 anında LL cismine, ip doğrultusuyla 6060^\circ lik açı yapacak şekilde ve KK cisminden uzaklaşacak yönde v0=8 m/sv_0 = 8\text{ m/s} büyüklüğünde yatay bir hız kazandırılıyor. Buna göre, ipte oluşan ani gerilme (itme) etkisi bittiği anda LL cisminin hızının büyüklüğü kaç m/s\text{m/s} olur? (sin60=32\sin 60^\circ = \frac{\sqrt{3}}{2}, cos60=0,5\cos 60^\circ = 0,5; ipin kütlesi önemsizdir.)

Cevabı ve açıklamayı göster

Cevap: 7

Cevap

L cisminin son hızının büyüklüğü 7 m/s olur.
L cisminin ilk hızı ip doğrultusundaki 4 m/s ve ipe dik doğrultudaki 4√3 m/s bileşenlerine ayrılır. İp esnemeyen yapıda olduğundan sadece kendi doğrultusunda bir itme uygulayabilir, bu nedenle L'nin ipe dik doğrultudaki hızı değişmeden 4√3 m/s olarak kalır. İp doğrultusunda ise çizgisel momentum korunur; başlangıçtaki 1 kg kütleli L cisminin bu doğrultudaki momentumu, ip gerildikten sonra K ve L cisimlerinin ortak momentumuna eşit olur. Buradan ortak doğrusal hız 1 m/s olarak bulunur. Son olarak, L cisminin bu iki dik hız bileşeninin vektörel toplamı alınarak hızının büyüklüğü 7 m/s hesaplanır.

Adım Adım Çözüm

1
İlk hızın bileşenlerine ayrılması
v0x=4 m/sv_{0x} = 4\text{ m/s}, v0y=43 m/sv_{0y} = 4\sqrt{3}\text{ m/s}
İpin sadece kendi doğrultusunda kuvvet uygulayabileceğini görmek için hız vektörünü ip doğrultusuna paralel ve dik bileşenlerine ayırmamız gerekir.
2
İpe dik doğrultudaki hızın korunumu
vLy=43 m/sv_{Ly} = 4\sqrt{3}\text{ m/s}
İpteki gerilme kuvveti yalnızca ip doğrultusundadır; bu doğrultuya dik olan doğrultuda net dış kuvvet sıfır olduğundan L cisminin bu bileşendeki hızı değişmez.
3
İp doğrultusunda çizgisel momentumun korunumu
vx=1 m/sv_x = 1\text{ m/s}
İp gerildiğinde oluşan iç gerilme kuvveti nedeniyle sistemin ip doğrultusundaki çizgisel momentumu korunur ve iki cisim bu doğrultuda ortak bir hıza ulaşır.
4
L cisminin son hızının büyüklüğünün hesaplanması
vL=7 m/sv_L = 7\text{ m/s}
L cisminin birbirine dik olan son hız bileşenlerinin vektörel toplamı alınarak cismin net son hızının büyüklüğü bulunur.

Anahtar Kavram

İki boyutlu kısıtlı hareketlerde çizgisel momentum korunumu ve ip gerilmesinin çizgisel momentum değişimine (itme) etkisi
ÖncekiSayfa 4 / 8Sonraki