İtme ve Çizgisel Momentum

33 soru

Soru 1Soru

Sürtünmesiz yatay düzlemde 10 m/s10\text{ m/s} hızla hareket etmekte olan 05 kg0{}5\text{ kg} kütleli bir top, düşey duvara dik olarak çarpmış ve duvardan aynı doğrultuda, ters yönde 8 m/s8\text{ m/s} hızla geri dönmüştür.

Buna göre, duvarın topa uyguladığı itmenin büyüklüğü kaç Ns\text{N}\cdot\text{s}'dir?

Cevabı ve açıklamayı göster

Cevap: 9

Cevap

Duvarın topa uyguladığı itmenin büyüklüğü 9 Ns9\text{ N}\cdot\text{s}'dir.
İtme, çizgisel momentumdaki değişime eşittir (I=ΔP\vec{I} = \Delta\vec{P}). Topun duvara çarpmadan önceki momentumu duvara doğru 5 kgm/s5\text{ kg}\cdot\text{m/s}, çarptıktan sonraki momentumu ise duvardan zıt yönde 4 kgm/s4\text{ kg}\cdot\text{m/s}'dir. Vektörel çıkarma işlemi yapıldığında momentum değişimi ve dolayısıyla itmenin büyüklüğü 9 Ns9\text{ N}\cdot\text{s} olarak hesaplanır.

Adım Adım Çözüm

1
İlk ve son çizgisel momentum vektörlerini tanımlamak için yön seçimi yapılır.
Sağa doğru (duvara doğru) hareket yönü pozitif (++) kabul edilirse; ilk hız v1=+10 m/sv_1 = +10\text{ m/s} ve geri dönen topun son hızı v2=8 m/sv_2 = -8\text{ m/s} olur.
Çizgisel momentum ve itme vektörel büyüklükler olduğundan yön tayini zorunludur.
2
Topun ilk ve son momentum değerleri hesaplanır.
P1=mv1=05 kg×(+10 m/s)=+5 kgm/sP_1 = m \cdot v_1 = 0{}5\text{ kg} \times (+10\text{ m/s}) = +5\text{ kg}\cdot\text{m/s} ve P2=mv2=05 kg×(8 m/s)=4 kgm/sP_2 = m \cdot v_2 = 0{}5\text{ kg} \times (-8\text{ m/s}) = -4\text{ kg}\cdot\text{m/s} olarak bulunur.
Momentum değişimi ΔP=P2P1\Delta\vec{P} = \vec{P}_2 - \vec{P}_1 bağıntısını uygulamak i��in bileşenler belirlenmelidir.
3
Momentum değişimi hesaplanarak itmenin büyüklüğü bulunur.
I=ΔP=P2P1=4(+5)=9 NsI = \Delta P = P_2 - P_1 = -4 - (+5) = -9\text{ N}\cdot\text{s} olur. İtmenin büyüklüğü ise I=9 Ns|I| = 9\text{ N}\cdot\text{s} olarak elde edilir.
İtme, çizgisel momentumdaki değişime eşittir (I=ΔP\vec{I} = \Delta\vec{P}).

Anahtar Kavram

İtme ve Çizgisel Momentum Değişimi Arasındaki İlişki (I=ΔP\vec{I} = \Delta\vec{P})
Soru 2Soru

Sürtünmesiz yatay bir yolda 8 m/s8\text{ m/s} sabit hızla hareket etmekte olan 3 kg3\text{ kg} kütleli bir oyuncak arabaya, arabanın hareket yönüne zıt doğrultuda 2 m/s2\text{ m/s} hızla fırlatılan 2 kg2\text{ kg} kütleli bir çamur parçası çarparak yapışıyor.

Buna göre, çamur arabaya yap��ştıktan sonra ortak kütlenin hızı kaç m/s\text{m/s} olur?

Cevabı ve açıklamayı göster

Cevap: 4

Cevap

Çamur arabaya yapıştıktan sonra ortak kütlenin hızı 4 m/s olur.
Sistemin ilk momentumu, oyuncak arabanın momentumu ile çamurun momentumunun vektörel toplamıdır. Arabanın momentumu hareket yönünde 38=24 kgm/s3 \cdot 8 = 24\text{ kg}\cdot\text{m/s}, çamurun momentumu ise zıt yönde 22=4 kgm/s2 \cdot 2 = 4\text{ kg}\cdot\text{m/s}'dir. Net ilk momentum arabanın yönünde 244=20 kgm/s24 - 4 = 20\text{ kg}\cdot\text{m/s} olur. Çarpışmadan sonra ortak kütle 5 kg5\text{ kg} olduğuna göre, momentumun korunumundan ortak hız 20/5=4 m/s20 / 5 = 4\text{ m/s} olarak hesaplanır.

Adım Adım Çözüm

1
Sistemin çarpışmadan önceki toplam momentumunu vektörel olarak hesaplayın.
Pilk=m1v1m2v2=3822=244=20 kgm/sP_{\text{ilk}} = m_1 \cdot v_1 - m_2 \cdot v_2 = 3 \cdot 8 - 2 \cdot 2 = 24 - 4 = 20\text{ kg}\cdot\text{m/s} (arabanın hareket yönünde)
Momentum vektörel bir büyüklük olduğundan, arabanın hareket yönü pozitif seçildiğinde zıt yönde hareket eden çamurun momentumu işleme eksi işaretiyle dahil edilir.
2
Çarpışmadan sonraki toplam kütleyi belirleyin.
mtoplam=m1+m2=3+2=5 kgm_{\text{toplam}} = m_1 + m_2 = 3 + 2 = 5\text{ kg}
Çarpışma tamamen esnek olmayan (yapışan) türde olduğu için cisimler kenetlenerek ortak bir kütle oluşturur.
3
Çizgisel momentumun korunumu ilkesini uygulayarak ortak hızı hesaplayın.
Pilk=Pson20=mtoplamvortak20=5vortakvortak=4 m/sP_{\text{ilk}} = P_{\text{son}} \Rightarrow 20 = m_{\text{toplam}} \cdot v_{\text{ortak}} \Rightarrow 20 = 5 \cdot v_{\text{ortak}} \Rightarrow v_{\text{ortak}} = 4\text{ m/s}
Sürtünmesiz yatay düzlemde sisteme etki eden net bir dış kuvvet bulunmadığı için toplam çizgisel momentum korunmak zorundadır.

Anahtar Kavram

Çizgisel Momentumun Korunumu
Tahmini Süre:1m 30s
Soru 3Soru

Kütlesi 04 kg0{}4\text{ kg} olan bir futbol topu, yatay doğrultuda 15 m/s15\text{ m/s} süratle uçmakta iken bir oyuncunun kafasına çarpmış ve aynı doğrultuda zıt y��nde 10 m/s10\text{ m/s} süratle geri dönmüştür. Buna göre, etkileşim sırasında oyuncunun kafasının topa uyguladığı itmenin büyüklüğü kaç Ns\text{N}\cdot\text{s}'dir?

Cevabı ve açıklamayı göster

Cevap: 10

Cevap

Oyuncunun kafasının topa uyguladığı itmenin büyüklüğü 10 Ns10\text{ N}\cdot\text{s}'dir.
Topun momentumundaki değişim vektörel olarak hesaplandığında ΔP=PsonPilk=46=10 Ns\Delta P = P_{son} - P_{ilk} = -4 - 6 = -10\text{ N}\cdot\text{s} bulunur. İtme çizgisel momentum değişimine eşit olduğundan, topa uygulanan itmenin büyüklüğü 10 Ns10\text{ N}\cdot\text{s} olur.

Adım Adım Çözüm

1
Topun hareket yönlerini belirleyerek ilk ve son çizgisel momentumlarını hesaplamak.
Pilk=6 kgm/sP_{ilk} = 6\text{ kg}\cdot\text{m/s} ve Pson=4 kgm/sP_{son} = -4\text{ kg}\cdot\text{m/s}
Momentum vektörel bir büyüklük olduğundan hızların yönleri dikkate alınmalıdır. Geliş yönü pozitif (+) seçildiğinde geri dönüş yönü negatif (-) olur.
2
Momentum değişimini (itme) hesaplamak.
I=10 NsI = -10\text{ N}\cdot\text{s} (Büyüklüğü 10 Ns10\text{ N}\cdot\text{s})
İtme, çizgisel momentumdaki değişime eşittir (I=ΔP=PsonPilkI = \Delta P = P_{son} - P_{ilk}).

Anahtar Kavram

İtme ve çizgisel momentum değişimi arasındaki ilişki (I=ΔPI = \Delta P).
Soru 4Soru

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 5Soru

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 6Soru

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 7Soru

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
Soru 8Soru

Eğik atış hareketi yapan 3m3m kütleli bir cisim, yörüngesinin maksimum yükseklik noktasından geçerken bir iç patlama sonucu her biri mm kütleli üç parçaya ayrılıyor. Cismin patlamadan hemen önceki hızı yatay doğrultuda ve 10 m/s10\text{ m/s} büyüklüğündedir.

Patlamadan hemen sonra;
- Birinci parça düşey doğrultuda aşağıya doğru 16 m/s16\text{ m/s} hızla,
- İkinci parça yatay doğrultuda ve atış yönünde 18 m/s18\text{ m/s} hızla

hareket ettiğine göre, üçüncü parçanın patlamadan hemen sonraki hızının büyüklüğü kaç m/s\text{m/s}'dir?

Cevabı ve açıklamayı göster

Cevap: 20

Cevap

Üçüncü parçanın patlamadan hemen sonraki hızının büyüklüğü 20 m/s'dir.
Momentumun korunumu yasasına göre, patlama anında sisteme etki eden net bir dış kuvvet olmadığından (yerçekimi kuvvetinin patlama süresince oluşturduğu itme ihmal edilebilir) sistemin ilk çizgisel momentumu ile son çizgisel momentumu vektörel olarak eşit olmalıdır. İlk momentum yalnızca yatay doğrultuda 30m30m büyüklüğündedir. Patlama sonrasında birinci parça düşey aşağı 16m16m, ikinci parça ise yatay ileri 18m18m momentum büyüklüğüne sahip olur. Düşey momentumun sıfırlanabilmesi için üçüncü parçanın düşey yukarı yönde 16 m/s16\text{ m/s} hızı olmalıdır. Yatay momentumun 30m30m olabilmesi için ise üçüncü parçanın yatayda 12 m/s12\text{ m/s} hızı olmalıdır. Bu iki dik hız bileşeninin bileşkesi Pisagor bağıntısından 20 m/s20\text{ m/s} olarak hesaplanır. Dolayısıyla doğru yanıt 20 m/s olan seçenektir.

Adım Adım Çözüm

1
Patlama öncesindeki toplam momentumu vektörel olarak hesaplamak.
Pilk=3m(10i^)=30mi^ kgm/s\vec{P}_{ilk} = 3m \cdot (10 \hat{i}) = 30m \hat{i}\text{ kg}\cdot\text{m/s}
Patlama esnasında dış kuvvetlerin etkisi ihmal edilebilecek kadar kısa sürede gerçekleştiği için sistemin toplam çizgisel momentumu korunur.
2
Patlamadan hemen sonraki birinci ve ikinci parçaların momentumlarını vektörel olarak yazmak.
P1=m(16j^)=16mj^ kgm/s\vec{P}_1 = m \cdot (-16 \hat{j}) = -16m \hat{j}\text{ kg}\cdot\text{m/s}
P2=m(18i^)=18mi^ kgm/s\vec{P}_2 = m \cdot (18 \hat{i}) = 18m \hat{i}\text{ kg}\cdot\text{m/s}
Birinci parça düşey aşağı (-y yönünde) ve ikinci parça yatay atış yönünde (+x yönünde) hareket etmektedir.
3
Çizgisel momentumun korunumu yasasını kullanarak üçüncü parçanın hız bileşenlerini bulmak.
Pilk=P1+P2+P3\vec{P}_{ilk} = \vec{P}_1 + \vec{P}_2 + \vec{P}_3
30mi^=16mj^+18mi^+mv330m \hat{i} = -16m \hat{j} + 18m \hat{i} + m\vec{v}_3
30i^=18i^16j^+v330 \hat{i} = 18 \hat{i} - 16 \hat{j} + \vec{v}_3
v3=12i^+16j^ m/s\vec{v}_3 = 12\hat{i} + 16\hat{j}\text{ m/s}
Toplam momentumun korunması için üçüncü parçanın momentum bileşenlerinin, diğer iki parçanın momentumları ile toplandığında ilk momentuma eşit olması gerekir.
4
Üçüncü parçanın hız vektörünün büyüklüğünü hesaplamak.
v3=122+162=144+256=20 m/sv_3 = \sqrt{12^2 + 16^2} = \sqrt{144 + 256} = 20\text{ m/s}
Hız bileşenleri birbirine dik olduğundan Pisagor bağıntısı kullanılarak hızın büyüklüğü elde edilir.

Anahtar Kavram

Çizgisel momentumun korunumu ve vektörel işlemler
Soru 9Soru

Sürtünmesiz yatay düzlemde durmakta olan 3 kg3\text{ kg} kütleli bir tahta bloğa, 0,1 kg0,1\text{ kg} kütleli bir mermi yatay doğrultuda fırlatılıyor. Mermi bloğun içinden geçip bloğu terk ettiğinde hızı 100 m/s100\text{ m/s} oluyor. Blok ise çarpışmadan hemen sonra girdiği sürtünmeli bölgede 6 m6\text{ m} yol alarak duruyor. Blok ile zemin arasındaki sürtünme katsayısı 0,30,3 olduğuna göre, merminin bloğa çarpmadan hemen önceki hızı kaç m/s\text{m/s}'dir? (Yer çekimi ivmesini g=10 m/s2g = 10\text{ m/s}^2 alınız.)

Cevabı ve açıklamayı göster

Cevap: 280

Cevap

Merminin bloğa çarpmadan hemen önceki hızı 280 m/s280\text{ m/s}'dir.
Çarpışma anında çizgisel momentum korunduğu için ilk momentum son momentuma eşitlenir. Bloğun çarpışmadan hemen sonraki hızı ise sürtünmeli yüzeyde yaptığı hareketin kinetiğinden (iş-enerji teoremi veya ivmeli hareket denklemleri yardımıyla) 6 m/s6\text{ m/s} olarak hesaplanır. Momentumun korunumu denkleminden merminin ilk hızı 280 m/s280\text{ m/s} olarak elde edilir.

Adım Adım Çözüm

1
Bloğun sürtünmeli bölgedeki ivmesini hesaplama
a=3 m/s2a = 3\text{ m/s}^2
Sürtünmeli yüzeyde bloğa etki eden net kuvvet sürtünme kuvvetidir (Fs=μkMgF_s = \mu_k M g). Newton'ın ikinci hareket yasasından yavaşlama ivmesi a=FsM=μkga = \frac{F_s}{M} = \mu_k g olarak bulunur.
2
Çarpışma sonrasında bloğun ilk hızını hesaplama
vblok=6 m/sv_{\text{blok}} = 6\text{ m/s}
Blok sabit ivmeli yavaşlayan hareket yaparak d=6 md = 6\text{ m} yol sonunda durduğuna göre, zamansız hız formülü (vf2=vi22adv_f^2 = v_i^2 - 2ad) kullanılarak çarpışmadan hemen sonraki hızı bulunur.
3
Çizgisel momentumun korunumunu uygulayarak merminin ilk hızını bulma
v0=280 m/sv_0 = 280\text{ m/s}
Çarpışma sürecinde dış kuvvetlerin etkisi ihmal edilebilir düzeyde olduğundan çizgisel momentum korunur. Merminin ilk momentumu, merminin son momentumu ile bloğun çarpışma sonrası momentumunun vektörel toplamına eşittir.

Anahtar Kavram

Çizgisel Momentumun Korunumu ve Sürtünmeli Yüzeyde Hareket
Soru 10Soru

Sürtünmesiz yatay düzlemde durmakta olan M=3 kgM = 3\text{ kg} kütleli bir arabanın tavanına, L=06 mL = 0{}6\text{ m} uzunluğundaki hafif ve esnemez bir ipin ucuna bağlı m=1 kgm = 1\text{ kg} kütleli noktasal bir cisim asılmıştır. Cisim, ip düşey doğrultuyla 9090^\circ açı yapacak şekilde (yatay konumda) tutulurken serbest bırakılıyor.

Buna göre, cisim düşey konumdan (en alt noktadan) geçerken ipin arabaya uyguladığı yatay doğrultudaki itmenin (impulse) büyüklüğü kaç Ns\text{N}\cdot\text{s} olur? (g=10 m/s2g = 10\text{ m/s}^2)

Cevabı ve açıklamayı göster

Cevap: 3

Cevap

İpin arabaya uyguladığı yatay doğrultudaki itmenin büyüklüğü 3 N·s'dir.
Yatay doğrultuda dış kuvvet olmadığından momentum korunumu geçerlidir. Cisim en alt noktaya ulaştığında, kaybettiği potansiyel enerji hem kendisinin hem de arabanın kinetik enerjisine dönüşür. Enerji ve momentum korunumu ortak çözüldüğünde arabanın son hızı 1 m/s1\text{ m/s} bulunur. İtme-momentum teoremi gereğince arabaya uygulanan yatay itme, arabanın momentumundaki değişime eşit olup 3 Ns3\text{ N}\cdot\text{s}'dir.

Adım Adım Çözüm

1
Yatay doğrultudaki çizgisel momentumun korunumu denklemini yazınız.
mvMV=0    1v=3V    v=3Vm v - M V = 0 \implies 1 \cdot v = 3 \cdot V \implies v = 3V
Sisteme yatay doğrultuda etki eden dış bir kuvvet olmadığından, yatay doğrultudaki çizgisel momentum korunur. Başlangıçta sistem durgun olduğu için ilk momentum sıfırdır. En alt noktada cismin hızı vv (sağa), arabanın hızı VV (sola) olarak kabul edilmiştir.
2
Sistem için mekanik enerjinin korunumu denklemini kurunuz.
mgL=12mv2+12MV2m g L = \frac{1}{2} m v^2 + \frac{1}{2} M V^2
Sürt��nmesiz sistemde mekanik enerji korunur. Cismin kaybettiği potansiyel enerji, cisim ve arabanın kazandığı kinetik enerjilerin toplamına eşit olur.
3
Elde edilen hız ilişkisini enerji denkleminde yerine yazarak arabanın son hızını bulunuz.
11006=121(3V)2+123V2    6=92V2+32V2    6=6V2    V=1 m/s1 \cdot 10 \cdot 0{}6 = \frac{1}{2} \cdot 1 \cdot (3V)^2 + \frac{1}{2} \cdot 3 \cdot V^2 \implies 6 = \frac{9}{2} V^2 + \frac{3}{2} V^2 \implies 6 = 6 V^2 \implies V = 1\text{ m/s}
Cismin hızını arabanın hızı cinsinden yazarak tek bilinmeyenli bir denklem elde etmek ve arabanın son hızını hesaplamak için bu adım uygulanır.
4
İtme-momentum ilişkisini kullanarak arabaya etki eden yatay itmeyi hesaplayınız.
I=ΔParaba=MV0=31=3 NsI = \Delta P_{\text{araba}} = M V - 0 = 3 \cdot 1 = 3\text{ N}\cdot\text{s}
Bir cisme uygulanan net itme, o cismin momentumundaki değişime eşittir (I=ΔPI = \Delta P). Arabaya yatay doğrultuda etki eden tek kuvvet ip gerilmesinin yatay bileşeni olduğundan, ipin uyguladığı yatay itme doğrudan arabanın momentum değişimine eşittir.

Anahtar Kavram

İtme ile çizgisel momentum değişimi arasındaki ilişki ve yatay momentumun korunumu.
Soru 11Soru

Sürtünmesiz yatay düzlemde 10 m/s10\text{ m/s} sabit hızla hareket etmekte olan 2 kg2\text{ kg} kütleli KK cismi, durmakta olan 3 kg3\text{ kg} kütleli LL cismi ile merkezi ve esnek olarak çarpışmaktadır. Çarpışmadan hemen sonra LL cismi, bir ucu düşey duvara sabitlenmiş yatay duran hafif (kütlesi önemsiz) bir yayı sıkıştırıp tekrar geri fırlamaktadır. Buna göre, LL cisminin yayla teması başladığı andan yaydan ayrıldığı ana kadar geçen sürede, duvarın yaya uyguladığı itmenin büyüklüğü kaç Ns\text{N}\cdot\text{s}'dir?

Cevabı ve açıklamayı göster

Cevap: 48

Cevap

Duvarın yaya uyguladığı itmenin büyüklüğü 48 Ns48\text{ N}\cdot\text{s}'dir.
Çarpışma sonrası L cisminin hızı esnek çarpışma denklemlerinden 8 m/s8\text{ m/s} olarak bulunur. Yayın L cismine uyguladığı itme, L cisminin çizgisel momentumundaki değişime eşittir: IL=ΔpL=mL(vsonvilk)=3(88)=48 NsI_L = \Delta p_L = m_L \cdot (v_{son} - v_{ilk}) = 3 \cdot (-8 - 8) = -48\text{ N}\cdot\text{s}. Kütlesiz yay kuvveti aynen ilettiğinden duvarın yaya uyguladığı itmenin büyüklüğü de L cisminin çizgisel momentumundaki değişimin büyüklüğü olan 48 Ns48\text{ N}\cdot\text{s} olur.

Adım Adım Çözüm

1
Çarpışma öncesi ve sonrası momentum korunumu ile hız ilişkisi denklemleri yazılır.
20=2vK+3vL20 = 2v_K' + 3v_L' ve 10+vK=vL10 + v_K' = v_L' denklemleri elde edilir.
Esnek çarpışmalarda hem çizgisel momentum hem de kinetik enerji korunur.
2
Elde edilen denklemler ortak çözülerek L cisminin çarpışmadan hemen sonraki hızı (vLv_L') bulunur.
vL=8 m/sv_L' = 8\text{ m/s} olarak bulunur.
L cisminin yayla etkileşime girmeden önceki ilk hızını belirlemek için.
3
L cisminin yayla etkileşimi boyunca çizgisel momentumundaki değişim hesaplanır.
ΔpL=2424=48 kgm/s\Delta p_L = -24 - 24 = -48\text{ kg}\cdot\text{m/s}
Sürtünmesiz ortamda yayda enerji kaybı olmadığından L cismi yaydan aynı süratle (8 m/s8\text{ m/s}) fakat zıt yönde ayrılır.
4
Etki-tepki yasası ve kütlesiz yay prensibi uygulanarak duvarın yaya uyguladığı itme bulunur.
Duvarın yaya uyguladığı itmenin büyüklüğü 48 Ns48\text{ N}\cdot\text{s}'dir.
Kütlesiz bir yayda net kuvvet sıfır olduğundan, yayın iki ucuna uygulanan kuvvetler eşit büyüklüktedir. Dolayısıyla duvarın yaya uyguladığı itme, L cisminin momentum değişiminin büyüklüğüne eşittir.

Anahtar Kavram

Esnek çarpışmalar, çizgisel momentumun korunumu, itme ve çizgisel momentum değişimi ilişkisi, kütlesiz yaylarda kuvvet iletimi.
Soru 12Soru

Sürtünmesiz eğrisel bir rayın h=7,2 mh = 7,2\text{ m} yüksekliğindeki tepe noktasından serbest bırakılan m=2 kgm = 2\text{ kg} kütleli bir cisim, rayın alt ucundaki yatay ve sürtünmesiz düzlemde durmakta olan M=6 kgM = 6\text{ kg} kütleli cisim ile merkezi olarak çarpışıp kenetleniyor. Ortak kütle, yatay düzleme sabitlenmiş ve yay sabiti k=200 N/mk = 200\text{ N/m} olan kütlesi önemsiz bir yayı sıkıştırıyor. Yer çekimi ivmesi g=10 m/s2g = 10\text{ m/s}^2 olduğuna göre, yayda meydana gelen maksimum sıkışma miktarı kaç santimetredir?

Cevabı ve açıklamayı göster

Cevap: 60

Cevap

Yayda meydana gelen maksimum sıkışma miktarı 60 santimetredir.
Ortak kütlenin kazandığı kinetik enerjinin tamamı yaya aktarılarak yayı 0,6 metre yani 60 santimetre sıkıştırır. Bu değer momentum korunumu ve enerji dönüşümü ilkeleriyle doğru bir şekilde hesaplanmıştır.

Adım Adım Çözüm

1
m kütleli cismin eğrisel raydan aşağı kayarak yatay düzleme ulaştığı andaki hızını mekanik enerjinin korunumu yasasıyla hesaplama.
v=12 m/sv = 12\text{ m/s}
Sürtünmesiz ortamda başlangıçtaki yer çekimi potansiyel enerjisi (mghmgh), rayın alt ucunda tamamen kinetik enerjiye (12mv2\frac{1}{2}mv^2) dönüşür.
2
Çarpışma anında yatay doğrultuda dış kuvvetlerin bileşkesi sıfır olduğu için çizgisel momentumun korunumunu uygulama.
vortak=3 m/sv_{\text{ortak}} = 3\text{ m/s}
Tamamen esnek olmayan çarpışmalarda cisimler kenetlenir ve toplam çizgisel momentum korunur (mv+M0=(m+M)vortakm \cdot v + M \cdot 0 = (m+M) \cdot v_{\text{ortak}}).
3
Çarpışmadan hemen sonraki toplam kinetik enerjiyi yayın maksimum sıkışma anındaki esneklik potansiyel enerjisine eşitleme.
x=0,6 mx = 0,6\text{ m}
Yay maksimum sıkıştığı anda ortak kütle anlık olarak durur, böylece ortak kinetik enerjinin tamamı yayda esneklik potansiyel enerjisine (12kx2\frac{1}{2}kx^2) dönüşür.
4
Metre cinsinden hesaplanan maksimum sıkışma miktarını soru köküne uygun olarak santimetreye dönüştürme.
x=60 cmx = 60\text{ cm}
Uzunluk birimi dönüşüm kuralına göre 1 metre=100 santimetre1\text{ metre} = 100\text{ santimetre} olduğundan 0,6 m0,6\text{ m} değeri 60 cm60\text{ cm}'ye eşittir.

Anahtar Kavram

İtme ve çizgisel momentumun korunumu ile mekanik enerjinin korunumu ilkelerinin ardışık olarak uygulanması.
Soru 13Soru

Sürtünmesiz ve yatay zemin üzerinde sabitlenmiş, yatayla 3737^\circ lik açı yapan bir eğik düzleme, 1 kg1\text{ kg} kütleli bir bilye düşey doğrultuda 8 m/s8\text{ m/s} süratle çarpmaktadır. Bilye, çarpışmadan hemen sonra yatay doğrultuda hareketine devam etmektedir. Buna göre, çarpışma sürecinde eğik düzlemin bilyeye uyguladığı itmenin büyüklüğü kaç Ns\text{N}\cdot\text{s}'dir?

(sin37=0,6\sin 37^\circ = 0,6; cos37=0,8\cos 37^\circ = 0,8; yer çekiminin ve çarpışma süresince hava direncinin etkisi ihmal edilmektedir.)

Cevabı ve açıklamayı göster

Cevap: 10

Cevap

Eğik düzlemin bilyeye uyguladığı itmenin büyüklüğü 10 N·s'dir.
Eğik düzlemin bilyeye uyguladığı itme, bilyenin çizgisel momentumundaki vektörel değişime eşittir. Sürtünmesiz yüzeyde normal kuvveti yüzeye dik olduğundan, momentum değişim vektörü de yüzeyin normali doğrultusundadır. Buradan son hız 6 m/s ve son momentum 6 kg·m/s olarak bulunur. Başlangıçta düşey aşağı 8 kg·m/s olan momentum ile son durumdaki yatay 6 kg·m/s momentumun vektörel farkı alındığında, aralarında 90 derece olan bu iki vektörün Pisagor teoremiyle bileşkesi 10 N·s büyüklüğünde bir itme verir.

Adım Adım Çözüm

1
Bilyenin ilk ve son çizgisel momentum vektörleri ifade edilir.
İlk momentum düşey aşağı yönde pi=mv1=18=8 kgm/sp_i = m \cdot v_1 = 1 \cdot 8 = 8\text{ kg}\cdot\text{m/s} büyüklüğündedir. Son momentum yatay sağa doğru pf=mv2=1v2=v2 kgm/sp_f = m \cdot v_2 = 1 \cdot v_2 = v_2\text{ kg}\cdot\text{m/s} büyüklüğündedir.
İtme, çizgisel momentumdaki değişime eşittir (I=Δp\vec{I} = \Delta\vec{p}).
2
Sürtünmesiz yüzeyde bilyeye etki eden net kuvvet (ve dolayısıyla itme) yüzeye dik olduğundan, momentum değişiminin yönü yüzeyin normaliyle aynı doğrultudadır. Bu geometrik ilişkiden son hız bulunur.
Eğik düzlemin normali düşey doğrultuyla 3737^\circ lik açı yapar. Momentum değişiminin (Δp=pfpi\Delta\vec{p} = \vec{p}_f - \vec{p}_i) yatay bileşeninin düşey bileşenine oranı normal doğrultusunun eğimine eşit olmalıdır: tan37=pf/pi0,75=v2/8v2=6 m/s\tan 37^\circ = p_f / p_i \Rightarrow 0,75 = v_2 / 8 \Rightarrow v_2 = 6\text{ m/s} bulunur. Dolay��sıyla son momentum pf=6 kgm/sp_f = 6\text{ kg}\cdot\text{m/s} olur.
Yüzeyin sürtünmesiz olması nedeniyle uygulanan kuvvet yalnızca normal doğrultusunda olabilir.
3
Birbirine dik olan yatay ve düşey momentum değişim bileşenleri kullanılarak toplam itme hesaplanır.
I=Δp=pfpi\vec{I} = \Delta\vec{p} = \vec{p}_f - \vec{p}_i. Vektörlerin büyüklüğü I=pf2+pi2=62+82=10 NsI = \sqrt{p_f^2 + p_i^2} = \sqrt{6^2 + 8^2} = 10\text{ N}\cdot\text{s} olarak bulunur.
Yatay ve düşey bileşenler birbirine dik olduğundan Pisagor bağıntısı uygulanır.

Anahtar Kavram

İtme ve Çizgisel Momentum Değişimi İlişkisi
Tahmini Süre:2m 0s
Soru 14Soru

Sürtünmesiz yatay bir buz pistinde yan yana durmakta olan 40 kg40\text{ kg} kütleli Ahmet ve 60 kg60\text{ kg} kütleli Mehmet, birbirlerini yatay doğrultuda iterek zıt yönlerde harekete geçmektedir.

Mehmet'in kazandığı hızın büyüklüğü 2 m/s2\text{ m/s} olduğuna göre;

I. Ahmet'in kazandığı hızın büyüklü��ü 3 m/s3\text{ m/s}'dir.
II. Mehmet'in Ahmet'e uyguladığı itmenin büyüklüğü, Ahmet'in Mehmet'e uyguladığı itmenin büyüklüğünden fazladır.
III. Ahmet ve Mehmet'in birbirlerine uyguladıkları ortalama kuvvetlerin büyüklükleri eşittir.

yargılarından hangileri doğrudur?

Cevabı ve açıklamayı göster

Cevap: I ve III

Cevap

Ahmet'in kazandığı hızın 3 m/s3\text{ m/s} olduğunu ve Ahmet ile Mehmet'in birbirlerine uyguladıkları ortalama kuvvetlerin büyüklüklerinin eşit olduğunu belirten seçenek doğrudur.
Ahmet ve Mehmet başlangıçta durgun olduklarından sistemin ilk çizgisel momentumu sıfırdır. Sürtünmesiz ortamda dış kuvvet etki etmediği için çizgisel momentum korunur. Mehmet'in kazandığı momentum 120 kgm/s120\text{ kg}\cdot\text{m/s} büyüklüğünde olduğundan, Ahmet'in de ters yönde aynı büyüklükte bir momentuma sahip olması gerekir, bu da Ahmet'in hızının büyüklüğünü 3 m/s3\text{ m/s} yapar (I. öncül doğrudur). Etkileşim süresince birbirlerine uyguladıkları kuvvetler etki-tepki çifti oluşturduğundan büyüklükleri eşit ve yönleri zıttır. Dolayısıyla ortalama kuvvetlerin büyüklükleri eşittir (III. öncül doğrudur). Aynı sürede gerçekleşen bu etkileşimde uygulanan itmelerin büyüklükleri de birbirine eşit olmalıdır (II. öncül yanlıştır). Bu nedenle Ahmet'in kazandığı hızın 3 m/s olduğu ve uyguladıkları ortalama kuvvetlerin büyüklüklerinin eşit olduğunu belirten öncüllerin yer aldığı seçenek doğrudur.

Adım Adım Çözüm

1
Sistemin dış kuvvetlerden arındırılmış olması nedeniyle momentum korunumunun uygulanması
Sistemin ilk çizgisel momentumu sıfırdır (Pilk=0P_{ilk} = 0). Dış sürtünmeler önemsiz olduğundan son çizgisel momentum da sıfır olmalıdır (Pson=0P_{son} = 0).
Sürtünmesiz yatay düzlemde sisteme etki eden net dış kuvvet sıfır olduğundan çizgisel momentum korunur.
2
Ahmet'in son hızının büyüklüğünün hesaplanması
mAvA+mMvM=040(vA)+602=0vA=3 m/sm_A \cdot v_A + m_M \cdot v_M = 0 \Rightarrow 40 \cdot (-v_A) + 60 \cdot 2 = 0 \Rightarrow v_A = 3\text{ m/s} elde edilir.
Mehmet ve Ahmet zıt yönlerde hareket ederler ve momentumlarının büyüklükleri birbirine eşit olmalıdır (40vA=60240 \cdot v_A = 60 \cdot 2).
3
İtme (impulse) ve ortalama kuvvet ilişkisinin incelenmesi
Ahmet'in Mehmet'e uyguladığı itme ile Mehmet'in Ahmet'e uyguladığı itme büyüklükçe eşit (120 Ns120\text{ N}\cdot\text{s}) ve zıt yönlüdür. Newton'ın üçüncü yasasına (etki-tepki) göre etkileşim süresince birbirlerine uyguladıkları ortalama kuvvetlerin büyüklükleri de birbirine eşittir.
İtme, momentum değişimine eşittir ve kuvvet ile zamanın çarpımıdır (I=FortΔtI = F_{ort} \cdot \Delta t). Etkileşim süresi ortak olduğundan kuvvetlerin büyüklükleri de eşittir.

Anahtar Kavram

Sürtünmesiz sistemlerde çizgisel momentumun korunumu ve Newton'ın etki-tepki yasasının itme üzerindeki rolü.
Soru 15Soru

Sürtünmesiz yatay bir yolda 10 m/s10\text{ m/s} sabit hızla hareket etmekte olan 2 kg2\text{ kg} kütleli bir blok, yalnızca 4,5 m4,5\text{ m} uzunluğundaki bölümü pürüzlü (sürtünmeli) olan bir yola giriyor. Blok ile sürtünmeli yol arasındaki sürtünme katsayısı μ=0,4\mu = 0,4 olup blok bu bölümü geçtikten hemen sonra karşıdaki dik duvara çarparak 4 m/s4\text{ m/s} hızla geri dönüyor.

Buna göre, çarpışma esnasında duvarın bloğa uyguladığı itmenin büyüklüğü kaç Ns\text{N}\cdot\text{s}'dir?
(g=10 m/s2g = 10\text{ m/s}^2 alınız.)

Cevabı ve açıklamayı göster

Cevap: 24

Cevap

Duvarın bloğa uyguladığı itmenin büyüklüğü 24 Ns24\text{ N}\cdot\text{s}'dir.
Duvarın uyguladığı itme, bloğun momentumundaki değişime eşittir. Sürtünmeli yolda yavaşlayan bloğun duvara çarpmadan hemen önceki hızı 8 m/s8\text{ m/s}'dir. Duvara çarpıp zıt yönde 4 m/s4\text{ m/s} hızla geri döndüğünden, momentum değişimi yönler hesaba katılarak Δp=mvsonmvilk=2(4)28=24 kgm/s\Delta \vec{p} = m \vec{v}_{son} - m \vec{v}_{ilk} = 2 \cdot (-4) - 2 \cdot 8 = -24\text{ kg}\cdot\text{m/s} olarak hesaplanır. Bu da itmenin büyüklüğünün 24 Ns24\text{ N}\cdot\text{s} olduğunu gösterir.

Adım Adım Çözüm

1
Sürtünmeli bölgede bloğa etki eden sürtünme kuvvetinin hesaplanması
fs=8 Nf_s = 8\text{ N}
Sürtünme kuvveti fs=μN=μmgf_s = \mu \cdot N = \mu \cdot m \cdot g bağıntısı ile bulunur. Buradan fs=0,4210=8 Nf_s = 0,4 \cdot 2 \cdot 10 = 8\text{ N} elde edilir.
2
İş-enerji teoremi yardımıyla bloğun sürtünmeli bölge sonundaki (duvara çarpmadan hemen önceki) hızının bulunması
v1=8 m/sv_1 = 8\text{ m/s}
Sürtünme kuvvetinin yaptığı iş kinetik enerjideki değişime eşittir: EilkWsu¨r=Eson    12mv02fsd=12mv12E_{ilk} - W_{sür} = E_{son} \implies \frac{1}{2}m v_0^2 - f_s \cdot d = \frac{1}{2}m v_1^2. Değerler yazıldığında 12210284,5=122v12    10036=v12    v1=8 m/s\frac{1}{2} \cdot 2 \cdot 10^2 - 8 \cdot 4,5 = \frac{1}{2} \cdot 2 \cdot v_1^2 \implies 100 - 36 = v_1^2 \implies v_1 = 8\text{ m/s} bulunur.
3
Duvarın bloğa uyguladığı itmenin momentum değişimi formülü ile hesaplanması
I=24 NsI = 24\text{ N}\cdot\text{s}
İtme, çizgisel momentumdaki değişime eşittir (I=Δp=psonpilk\vec{I} = \Delta \vec{p} = \vec{p}_{son} - \vec{p}_{ilk}). Başlangıçtaki hareket yönü pozitif (+) kabul edilirse, duvara çarpma hızı v1=+8 m/sv_1 = +8\text{ m/s} ve yansıma hızı v2=4 m/sv_2 = -4\text{ m/s} olur. Buradan I=mv2mv1=2(4)28=24 Ns\vec{I} = m \cdot v_2 - m \cdot v_1 = 2 \cdot (-4) - 2 \cdot 8 = -24\text{ N}\cdot\text{s} elde edilir. Büyüklük sorulduğu için cevap 2424 olur.

Anahtar Kavram

İtme ve Çizgisel Momentum Değişimi İlişkisi ile İş-Enerji Teoreminin Birlikte Uygulanması

Alternatif Yöntem

Sürtünmeli yoldaki yavaşlama süresi bulunarak ivmeli hareket denklemleriyle de son hız hesaplanabilir. Bloğun ivmesi a=μg=4 m/s2a = \mu \cdot g = 4\text{ m/s}^2 olur. Zamansız hız formülü v2=v022adv^2 = v_0^2 - 2ad kullanılarak duvara çarpma hızı v2=102244,5=64    v=8 m/sv^2 = 10^2 - 2 \cdot 4 \cdot 4,5 = 64 \implies v = 8\text{ m/s} olarak doğrudan elde edilebilir.
Tahmini Süre:2m 0s
Soru 16Soru

Sürtünmelerin önemsiz olduğu bir ortamda, 0,5 kg0,5\text{ kg} kütleli bir top 5 m5\text{ m} yükseklikten serbest bırakılıyor. Yatay zemine çarpan top, düşey doğrultuda en fazla 1,8 m1,8\text{ m} yüksekliğe kadar sıçrayabiliyor. Topun yerle temas süresi 0,1 s0,1\text{ s} olduğuna göre, etkileşim süresince zeminin topa uyguladığı ortalama tepki kuvvetinin büyüklüğü kaç N\text{N}'dur? (g=10 m/s2g = 10\text{ m/s}^2 alınız.)

Cevabı ve açıklamayı göster

Cevap: 85

Cevap

Zeminin topa uyguladığı ortalama tepki kuvvetinin büyüklüğü 85 N'dur.
Enerji korunumu yasası gereği topun yere çarpma hızı 10 m/s (aşağı), yansıma hızı ise 6 m/s (yukarı) olarak hesaplanır. Momentum değişimi vektörel bir çıkarma işlemiyle 8 kg.m/s (yukarı) bulunur. Ortalama net kuvvet, momentum değişiminin etkileşim süresine oranı olup 80 N'dur. Yerle temas anında net kuvvet, zeminin tepki kuvveti ile topun ağırlığı (5 N) farkına eşit olduğundan zeminin ortalama tepki kuvveti 85 N olarak elde edilir.

Adım Adım Çözüm

1
Topun yere çarpmadan hemen önceki hızını (vilkv_{ilk}) ve sıçradıktan hemen sonraki hızını (vsonv_{son}) enerji korunumu yardımıyla buluruz.
vilk=2gh1=2105=10 m/sv_{ilk} = \sqrt{2gh_1} = \sqrt{2 \cdot 10 \cdot 5} = 10\text{ m/s} (aşağı yönlü) ve vson=2gh2=2101,8=6 m/sv_{son} = \sqrt{2gh_2} = \sqrt{2 \cdot 10 \cdot 1,8} = 6\text{ m/s} (yukarı yönlü).
İtme hesabı için çarpışma öncesi ve sonrası hız büyüklüklerine ihtiyaç vardır.
2
Yukarı yönü pozitif (+) kabul ederek hızları ve momentumları yönleriyle yazarız.
vilk=10 m/sv_{ilk} = -10\text{ m/s} ve vson=+6 m/sv_{son} = +6\text{ m/s}. Topun momentum değişimi vektörel olarak Δp=m(vsonvilk)=0,5(6(10))=8 Ns\Delta \vec{p} = m(v_{son} - v_{ilk}) = 0,5 \cdot (6 - (-10)) = 8\text{ N}\cdot\text{s} (yukarı yönlü) olur.
Momentum ve itme vektörel büyüklükler olduğu için yön tayini yapılmalıdır.
3
İtme-momentum ilişkisini kullanarak topa etki eden net ortalama kuvveti hesaplarız.
FnetΔt=ΔpFnet0,1=8Fnet=80 NF_{net} \cdot \Delta t = \Delta p \Rightarrow F_{net} \cdot 0,1 = 8 \Rightarrow F_{net} = 80\text{ N} (yukarı yönlü).
Net kuvvetin oluşturduğu itme, momentum değişimine eşittir.
4
Düşey doğrultudaki net kuvvet denkleminden zeminin tepki kuvvetini çekeriz.
Fnet=FzeminG80=Fzemin(0,510)Fzemin=85 NF_{net} = F_{zemin} - G \Rightarrow 80 = F_{zemin} - (0,5 \cdot 10) \Rightarrow F_{zemin} = 85\text{ N} elde edilir.
Temas süresince cisme hem zeminin tepki kuvveti hem de yer çekimi kuvveti etki eder.

Anahtar Kavram

İtme ve Çizgisel Momentum Değişimi
Soru 17Soru

Sürtünmesiz yatay düzlemde hareket eden 2 kg2\text{ kg} kütleli AA cismi +x+x yönünde 6 m/s6\text{ m/s} hızla, 2 kg2\text{ kg} kütleli BB cismi ise +y+y yönünde 8 m/s8\text{ m/s} hızla hareket etmektedir. Bu iki cisim orijinde çarpışarak birbirine kenetleniyor. Buna göre, çarpışma süresince cisimlerin birbirine uyguladığı itmenin büyüklüğü kaç Ns\text{N}\cdot\text{s}'dir?

Cevabı ve açıklamayı göster

Cevap: 10

Cevap

Çarpışma sırasında cisimlerin birbirine uyguladığı itmenin büyükl��ğü 10 N·s'dir.
Çarpışma süresince bir cismin momentumundaki değişim, o cisme uygulanan itmeye eşittir. A cisminin ilk çizgisel momentum vektörü 12i kgm/s12\vec{i}\text{ kg}\cdot\text{m/s}, çarpışma sonrası son çizgisel momentum vektörü ise ortak hız kullanılarak 6i+8j kgm/s6\vec{i} + 8\vec{j}\text{ kg}\cdot\text{m/s} olarak hesaplanır. İki vektör arasındaki fark ΔPA=6i+8j kgm/s\Delta\vec{P}_A = -6\vec{i} + 8\vec{j}\text{ kg}\cdot\text{m/s} olup bu vektörün büyüklüğü (6)2+82=10 Ns\sqrt{(-6)^2 + 8^2} = 10\text{ N}\cdot\text{s} olarak bulunur.

Adım Adım Çözüm

1
Çarpışma öncesi çizgisel momentum vektörlerini hesaplama
PA=12i kgm/s\vec{P}_A = 12\vec{i}\text{ kg}\cdot\text{m/s} ve PB=16j kgm/s\vec{P}_B = 16\vec{j}\text{ kg}\cdot\text{m/s}
Cisimlerin ilk çizgisel momentum durumlarını vektörel olarak ifade etmek için.
2
Toplam momentumun korunumunu kullanarak ortak kütlenin hız vektörünü bulma
vort=3i+4j m/s\vec{v}_{ort} = 3\vec{i} + 4\vec{j}\text{ m/s}
Dış kuvvetlerin bile��kesi sıfır olduğundan toplam momentum korunur ve ortak kütlenin hızı bu ilkeyle bulunur.
3
Bir cismin (örneğin A cisminin) çizgisel momentumundaki değişimi hesaplama
ΔPA=6i+8j kgm/s\Delta\vec{P}_A = -6\vec{i} + 8\vec{j}\text{ kg}\cdot\text{m/s}
İtme, çizgisel momentumdaki değişime eşit olduğundan bir cismin momentum değişim vektörü bulunur.
4
Çizgisel momentum değişim vektörünün büyüklüğünü hesaplama
I=10 NsI = 10\text{ N}\cdot\text{s}
Momentum değişiminin büyüklüğü, çarpışma sırasında cisme uygulanan itmenin büyüklüğünü verir.

Anahtar Kavram

İtme ve Çizgisel Momentum Korunumu
Soru 18Soru

Yatay ve sürtünmesiz bir buz pistinde +x+x yönünde 15 m/s15\text{ m/s} sabit süratle kaymakta olan 0,4 kg0,4\text{ kg} kütleli bir pak (buz hokeyi diski), bir oyuncunun sopasıyla vurması sonucu +y+y yönünde 20 m/s20\text{ m/s} sabit süratle hareket etmeye başlıyor. Buna göre, oyuncunun sopasıyla paka uyguladığı itmenin büyüklüğü kaç Ns\text{N}\cdot\text{s}'dir?

Cevabı ve açıklamayı göster

Cevap: 10

Cevap

Oyuncunun sopasıyla paka uyguladığı itmenin büyüklüğü 10 N·s'dir.
İtme, çizgisel momentumdaki değişime eşittir (I=ΔP=P2P1\vec{I} = \Delta \vec{P} = \vec{P}_2 - \vec{P}_1). Pakın ilk momentumu +x+x yönünde 6 kgm/s6\text{ kg}\cdot\text{m/s}, son momentumu ise +y+y yönünde 8 kgm/s8\text{ kg}\cdot\text{m/s} büyüklüğündedir. Bu iki vektör birbirine dik olduğu için, fark vektörünün büyüklüğü Pisagor bağıntısı (I=62+82I = \sqrt{6^2 + 8^2}) kullanılarak 10 Ns10\text{ N}\cdot\text{s} olarak bulunur.

Adım Adım Çözüm

1
İlk momentumun hesaplanması
P1=6 kgm/sP_1 = 6\text{ kg}\cdot\text{m/s} (+x+x yönünde)
Momentum değişimini bulmak için öncelikle pakın ilk momentum vektörü hesaplanır.
2
Son momentumun hesaplanması
P2=8 kgm/sP_2 = 8\text{ kg}\cdot\text{m/s} (+y+y yönünde)
Momentum değişimini bulmak için pakın son momentum vektörü hesaplanır.
3
Momentum değişiminin (itmenin) vektörel olarak hesaplanması
ΔP=10 kgm/s\Delta P = 10\text{ kg}\cdot\text{m/s} (veya 10 Ns10\text{ N}\cdot\text{s})
İtme, momentum değişimine eşittir (I=ΔP=P2P1\vec{I} = \Delta \vec{P} = \vec{P}_2 - \vec{P}_1). Birbirine dik iki vektörün farkının büyüklüğü Pisagor bağıntısı yardımıyla bulunur.

Anahtar Kavram

İtme ve Çizgisel Momentum Değişimi İlişkisi (İtme-Momentum Teoremi)
Soru 19Soru

Sürtünmesiz yatay düzlemde +x+x yönünde sabit vv hızıyla hareket etmekte olan 3m3m kütleli bir cisim, iç patlama sonucu her birinin kütlesi mm olan üç parçaya ayrılıyor. Patlamadan hemen sonra parçalardan birincisi +y+y yönünde vv hızıyla, ikincisi ise y-y yönünde 2v2v hızıyla hareket ediyor.

Buna göre, patlama olayı ile ilgili;

I. Üçüncü parçanın hızının büyüklüğü 10v\sqrt{10}v olur.
II. Patlama sırasında kimyasal enerjiden mekanik enerjiye dönüşen enerji miktarı 6mv26mv^2 kadardır.
III. Üçüncü parçanın momentumunun yatay bileşeni, cismin patlamadan önceki momentumuna eşittir.

yargılarından hangileri doğrudur?

Cevabı ve açıklamayı göster

Cevap: I, II ve III

Cevap

Birinci, ikinci ve üçüncü öncüllerin tamamı doğrudur.
Sistemde dış bir kuvvet olmadığından momentum korunur. Başlangıçta yalnızca +x+x yönünde momentum varken, patlama sonrası birinci ve ikinci parçaların sadece düşey momentumları vardır. Bu düşey momentumların sıfırlanabilmesi ve toplam yatay momentumun korunabilmesi için üçüncü parçanın hız bileşenleri v3x=3vv_{3x} = 3v ve v3y=vv_{3y} = v olmak zorundadır. Buradan hızın büyüklüğü 10v\sqrt{10}v ve parçanın yatay momentumu başlangıçtaki toplam momentuma eşit çıkar. Patlama öncesi ve sonrası kinetik enerji farkı da açığa çıkan kimyasal enerjinin mekanik karşılığı olan 6mv26mv^2'yi verir. Bu doğrultuda tüm öncüller doğrudur.

Adım Adım Çözüm

1
Momentumun korunumu yasasını +x+x ve +y+y eksenleri için ayrı ayrı uygulamak.
Sistemin başlangıçtaki momentumu Pilk=(3mv,0)\vec{P}_{\text{ilk}} = (3mv, 0)'dır. Patlama sonrası parçaların momentumları toplamı buna eşit olmalıdır: Pilk=p1+p2+p3\vec{P}_{\text{ilk}} = \vec{p}_1 + \vec{p}_2 + \vec{p}_3. Birinci parça için p1=(0,mv)\vec{p}_1 = (0, mv), ikinci parça için p2=(0,2mv)\vec{p}_2 = (0, -2mv) yazılır. Buradan üçüncü parçanın momentumu p3=(3mv,mv)\vec{p}_3 = (3mv, mv) olarak bulunur.
Dış kuvvetlerin etki etmediği iç patlamalarda çizgisel momentum korunur.
2
Üçüncü parçanın hızının büyüklüğünü hesaplamak.
Üçüncü par��anın kütlesi mm olduğundan, momentum bileşenleri p3x=3mvp_{3x} = 3mv ve p3y=mvp_{3y} = mv olur. Hız bileşenleri ise v3x=3vv_{3x} = 3v ve v3y=vv_{3y} = v şeklindedir. Hızın büyüklüğü v3=(3v)2+v2=10vv_3 = \sqrt{(3v)^2 + v^2} = \sqrt{10}v olarak elde edilir. Bu durum I. öncülü doğrular.
Hız vektörünün büyüklüğü, bileşenlerinin karelerinin toplamının kareköküdür.
3
Patlama öncesi ve sonrası kinetik enerjileri karşılaştırarak dönüşen enerji miktarını bulmak.
Başlangıçtaki kinetik enerji Eilk=12(3m)v2=1.5mv2E_{\text{ilk}} = \frac{1}{2} (3m) v^2 = 1.5 mv^2 olur. Patlama sonrasındaki toplam kinetik enerji Eson=E1+E2+E3=12mv2+12m(2v)2+12m(10v)2=0.5mv2+2mv2+5mv2=7.5mv2E_{\text{son}} = E_1 + E_2 + E_3 = \frac{1}{2} m v^2 + \frac{1}{2} m (2v)^2 + \frac{1}{2} m (\sqrt{10}v)^2 = 0.5 mv^2 + 2 mv^2 + 5 mv^2 = 7.5 mv^2 olur. Dönüşen mekanik enerji ΔE=7.5mv21.5mv2=6mv2\Delta E = 7.5 mv^2 - 1.5 mv^2 = 6 mv^2 olarak bulunur. Bu durum II. öncülü doğrular.
İç enerjiden mekanik enerjiye dönüşen miktar, sistemin son ve ilk kinetik enerjileri arasındaki farka eşittir.
4
Üçüncü parçanın yatay momentumu ile sistemin ilk momentumunu karşılaştırmak.
Üçüncü parçanın yatay momentum bileşeni p3x=3mvp_{3x} = 3mv olup, cismin patlamadan önceki momentumu olan 3mv3mv değerine eşittir. Bu durum III. öncülü doğrular.
Diğer iki parçanın yatay doğrultuda momentum bileşenleri olmadığı için, sistemin başlangıçtaki yatay momentumunun tamamı üçüncü parça tarafından taşınmalıdır.

Anahtar Kavram

İç patlamalarda çizgisel momentumun vektörel korunumu ve kinetik enerji değişimleri
Soru 20Soru

Yatayla 5353^\circ lik açı yapacak şekilde v0v_0 ilk hızıyla eğik atılan 3m3m kütleli bir cisim, yörüngesinin maksimum yükseklik noktasındayken bir iç patlama sonucu mm ve 2m2m kütleli iki parçaya ayrılıyor.

Patlamadan hemen sonra mm kütleli parça serbest düşme hareketi yaptığına göre, 2m2m kütleli parçanın patlamadan hemen sonraki hızının büyüklüğü kaç v0v_0 olur?

(Hava sürtünmesi önemsizdir. sin53=0,8\sin 53^\circ = 0,8; cos53=0,6\cos 53^\circ = 0,6)

Cevabı ve açıklamayı göster

Cevap: 0,90,9

Cevap

Patlamadan hemen sonra iki m kütleli parçanın hızının büyüklüğü sıfır virgül dokuz v_0 olur.
Maksimum yükseklikte cismin yalnızca yatay hız bileşeni vardır ve bu hız sıfır virgül altı v_0 değerine eşittir. Patlama öncesi momentum bir virgül sekiz m v_0 olur. m kütleli parçanın serbest düşme hareketi yapması ilk hızının sıfır olduğunu gösterir. Çizgisel momentumun korunumu gereği, patlama öncesi momentum patlama sonrası momentuma eşit olmalıdır. Buradan bir virgül sekiz m v_0 eşittir iki m çarpı v_2 eşitliği yazılarak kalan parçanın hızı sıfır virgül dokuz v_0 olarak bulunur.

Adım Adım Çözüm

1
Maksimum yükseklikteki hızı bulma
vx=v0cos53=0,6v0v_x = v_0 \cos 53^\circ = 0,6v_0
Eğik atı�� hareketinde maksimum yükseklikte düşey hız sıfırdır, cismin sadece yatay hız bileşeni vardır.
2
Patlama öncesindeki toplam momentumu hesaplama
Po¨nce=3m0,6v0=1,8mv0P_{önce} = 3m \cdot 0,6v_0 = 1,8mv_0 (yatay doğrultuda)
Patlama anında dış kuvvetlerin etkisi ihmal edildiğinden çizgisel momentum korunur.
3
Patlamadan sonraki parçaların hızlarını belirleme
v1=0v_1 = 0 (serbest düşme)
m kütleli parçanın serbest düşme yapması, patlamadan hemen sonra ilk hızının sıfır olduğunu gösterir.
4
Momentum korunumunu uygulayarak kalan parçanın hızını hesaplama
Po¨nce=Psonra1,8mv0=m0+2mv2v2=0,9v0P_{önce} = P_{sonra} \Rightarrow 1,8mv_0 = m \cdot 0 + 2m \cdot v_2 \Rightarrow v_2 = 0,9v_0
Yatay doğrultudaki momentum korunumu denklemi çözülerek iki m kütleli parçanın hızı bulunur.

Anahtar Kavram

İç patlamalarda dış kuvvetlerin etkisi ihmal edilebilir olduğundan sistemin çizgisel momentumu korunur. Eğik atışta maksimum yükseklikte sadece yatay hız bileşeni mevcuttur.
Sayfa 1 / 2Sonraki
İtme ve Çizgisel Momentum Alıştırma Soruları — YKS AYT (Alan Yeterlilik Testi) | Examkin