Sürtünme Kuvveti Kinetik Enerjiyi Değiştirir mi?
Bir topu halının üzerinde iterek yuvarladığımızda bir süre sonra topun yavaşladığını ve durduğunu gözlemleriz. Bunun nedenini biliyor musunuz? Bir cisim itilerek veya çekilerek kum, çim, asfalt ve buzdan hangisinin üzerinde daha kolay hareket ettirilebilir (Fotoğraf 2.25)? Neden? Belirtilen yüzeyleri cisimlerin hareketlerine etki bakımından karşılaştırınız.
Halının üzerinde yuvarlanan topun bir süre sonra yavaşlamasının ve durmasının sebebi sürtünme kuvvetidir. Bir cisim itilerek veya çekilerek en kolay buz zeminin üzerinde hareket ettirilebilir. Çünkü buzun yüzeyi pürüzsüzdür. Cisimlerin yüzeyleri sürtünme kuvvetini direk etkilemektedir.
Farklı yüzeyler cisimlerin hareketini farklı şekilde etkiler. Bu, yüzeyin cismin hareketine karşı ters yönde uyguladığı sürtünme kuvvetinin büyüklüğü ile ilişkilidir. Sürtünme kuvveti hareketli cisimlerin sahip olduğu kinetik enerjiyi nasıl etkiler? Tahmininizi açıklayınız. Tahmininizin doğruluğunu test edebileceğiniz bir deney tasarlayınız. Deneyinizde kullanacağınız araç gereci, deneyinizdeki bağımlı ve bağımsız değişkenleri, deneyin aşamalarını sınıfta arkadaşlarınıza açıklayınız. Sonra aşağıdaki etkinliği yapınız:
10. ETKİNLİK: Sürtünme Kuvvetinin Kinetik Enerjiye Etkisi
Malzeme listesi: Mukavva, kitaplar, oyuncak araba, zımpara kâğıdı, dosya kâğıdı, yağlı kâğıt, kâğıt havlu, cetvel
Amaç: Sürtünme kuvvetinin kinetik enerjiye etkisini gözlemlemek
Etkinliğin yapılışı
• 3-4 kişilik gruplar oluşturunuz.
• Mukavvayı kitaplarınızın üzerine eğik bir düzlem oluşturacak şekilde yerleştiriniz.
• Oluşturduğunuz eğik düzlemin bittiği yere zımpara kâğıdını yerleştiriniz.
Arabayı eğik düzlemin başından serbest bırakarak zımpara kâğıdı üzerindeki hareketini inceleyiniz ve arabanın aldığı yolu ölçerek defterinize yazınız.
• Arabayı yağlı kâğıt, dosya kâğıdı ve kâğıt havlu üzerinde de aynı şekilde hareket ettirerek her yüzey üzerinde, arabanın aldığı yolu ölçüp ölçümlerinizi not ediniz.
Sorular
1. Arabanın aldığı yol, üzerinde hareket ettiği yüzeylere göre nasıl değişmiştir?
Yüzeyin özelliğine göre, arabanın aldığı yol değişir. Pürüzlü yollarda sürtünme kuvvetinden dolayı daha az yol almakatdır.
2. Yüzeylerin hangisinde arabanın aldığı yol en fazladır?
Araba en fazla, en pürüzsüz zeminli olan kağıt üzerinde yol almakatdır.
3. Yüzeylerin hangisinde arabanın aldığı yol en azdır?
Araba en az yol aldığı zemin zımpara zeminli yoldur.
4. Hangi yüzeyde arabaya etki eden sürtünme kuvveti en fazladır? Buna nasıl karar verdiniz?
Zımpara zeminde arabaya etki eden sürtünme kuvveti en fazladır. Bunun sebebi zımpara zeminde arabanın aldığı yol en azdır.
5. Araba farklı yüzeylerde hareket ederken arabanın kinetik enerjisinde bir azalma olup olmadığı hakkında ne söyleyebilirsiniz? Böyle düşünmenizin nedeni nedir?
Sürtünme kuvvetinin en fazla olduğu zeminlerde, kinetik enerjisinden fazla harcama olduğu için azalma olur.
6. Hangi yüzeyde kinetik enerjideki azalma en fazla olmuştur? Neden?
Sürtünme kuvveti en fazla olduğu için, zımpara zeminde kinetik enerjisi en fazla olmaktadır.
Yaptığınız etkinlikte de gördüğünüz gibi pürüzlü ve yumuşak yüzeylerde sürtünme kuvveti daha fazla olduğundan hareketli cisim hızla yavaşlayarak kısa mesafede durmuştur. Düz ve kaygan yüzeylerde ise daha uzun mesafe hareket etmiştir. Hareketli cisim, kinetik enerjisi azaldığı için yavaşlar ve kinetik enerjisi sıfır olduğunda durur. Etkinlikte de sürtünme kuvvetinin en fazla olduğu yüzeylerde kinetik enerji daha çabuk azalarak sıfırlanmış ve eğimli yüzeyden hızla inen araba daha kısa mesafede durmuştur. Bu durum, sürtünme kuvvetinin kinetik enerjiyi azaltıcı etkisi olduğunu göstermektedir.
Hatırlayacağınız gibi kinetik enerji hareketli cisimlerin sahip olduğu enerji türüdür. Bir cismin kinetik enerjisi cismin kütlesine ve süratine bağlıdır. Öyleyse yolda hareket ederken sürtünme kuvveti nedenilyle sürati azalan bir cismin kinetik enerjisinin de azaldığı ve cisim durduğunda kinetik enerjisinin de sıfır olduğu söylenebilir. Enerjinin hiçbir zaman yok olmayacağını ancak başka enerji türlerine dönüşebileceğini öğrenmiştiniz. Bu durumda cismin başlangıçta sahip olduğu kinetik enerjiye ne olmuştur? Tartışınız.
Cismin başlangıçta sahip olduğu kinetik enerji, sürtünme kuvvetiyle, sürtünen zeminler arasında ısı enerjisine dönüşmüştür.
Ellerimizi birbirine sürterken kas enerjisi hareket enerjisine dönüşür. Bu sürtme sırasında ellerimiz ısınır. Buna göre ellerimizi birbirine sürttüğümüzde hareket enerjisi hangi enerji türlerine dönüşür?
Ellerimizi birbirine sürttüğümüzde, hareket enerjisi ısı enerjisine dönüşür.
Yanda bir bisikletin ve otomobilin fren sistemlerini görmektesiniz (Fotoğraf 2.26). Taşıtların fren yaptıklarında nasıl durduklarını biliyor musunuz?
Sürtünme kuvvetini kullanırlar.
Sürücülerin ani fren yaptıkları bazı durumlarda araba lastiklerinin oluşturduğu dumanı görmüş, çıkardıkları sesi duymuşsunuzdur. Taşıtlardaki fren sistemi, kinetik enerjiyi sürtünme ile ısı enerjisine çevirerek kinetik enerjinin azalarak sıfırlanmasını, böylece taşıtın yavaşlamasını ve durmasını sağlar. Bu durumda hareket hâlindeki aracın kinetik enerjisi ısı enerjisine dönüşerek azalmaktadır. Taşıtlar fren yaptığında ayrıca ses de çıkar. Buna göre kinetik enerjinin ses enerjisine de dönüştüğünü ve azaldığını söyleyebilir miyiz?
Elektrikli kapı zillerinde elektrik enerjisi, kinetik enerjiye dönüşerek kolu hareket ettirir ve zile vurmasını sağlar. Böylece hareket enerjisi ses ve ısı enerjisine dönüşür. Bisikletlerdeki dinamo, tekerleğe sürtünerek dönmeye başlar ve hareket enerjisini elektrik enerjisine dönüştürür. O da bisikletin lambasında ışık enerjisine dönüşür. Kinetik enerjinin ısı, ses ve ışık enerjisine dönüşerek azalmasına günlük yaşantınızdan başka hangi örnekleri verebilirsiniz?
Biri buruşturulmuş diğeri açık iki kâğıt belli bir yükseklikte serbest bırakılırsa ikisi de yere aynı anda mı düşer? Havaya fırlattığınız top bir süre sonra yavaşlar ve yere düşer. Neden? Bu durumları hava direnciyle nasıl ilişkilendirirsiniz? Açıklayınız.
Buruşturulmuş kağıt ile açık kağıdı bıraktığımızda, aynı anda yere düşmez, buruşturulmuş kağıt daha çabuk yere düşer. Açık kağıdın sürtünme kuvveti daha fazladır. Havaya fırlattığımız top, havaya sürter bu sürtünme ile belli bir süre sonra yere düşer.
Kütleleri aynı olan biri yuvarlak, biri levha biçiminde iki metal suda serbest bırakılırsa ikisi de suyun dibine aynı sürede mi batar? Denizde suya daldığımızda yüzmeyi bıraksak bile bir süre hareket ederiz ve sonra dururuz veya suda taş kaydırırken fırlattığımız taş su içinde biraz ilerledikten sonra durur ve batar. Bu şekilde suda hareket eden cisimler bir süre sonra neden durur? Bu durumları su direnciyle nasıl ilişkilendirirsiniz? Açıklayınız. Bunlara göre hava ve su direncinin de kinetik enerjide azalmaya ne den olduğunu söyleyebilir miyiz? Tartışınız.
Hava ortamında ve su içerisinde hareket eden cisimlere, hareketlerini zorlaştıran bir sürtünme kuvvetinin etki ettiğini 5. sınıftaki “Kuvvet ve Hareket” ünitesinden biliyorsunuz. Hava ve su direnci olarak adlandırılan bu kuvvetlerden dolayı bu ortamlarda hareket eden cisimlerin kinetik enerjilerinde bir azalma olduğunu söyleyebiliriz. Örneğin paraşütlere etki eden sürtünme kuvveti paraşütçünün kinetik enerjisini azaltarak güvenli bir şekilde yere inmesini sağlar. Suda hareket eden varlık ve cisimlere etki eden su direnci onların kinetik enerjisini azaltarak hareketlerinin yavaşlamasına neden olur. Bu nedenle sürtünme kuvvetinin etkisiyle kinetik enerjideki dönüşümü azaltmak için gemilerin ön kısımları “v” şeklinde yapılmıştır (Fotoğraf 2.27).
Bunları Biliyor muydunuz?
Atmosfer içindeki tüm cisimlere hava direnci etki eder. Güneş sisteminde bulunan ve meteor adı verilen gök cisimleri çok süratli hareket eder. Bunlar Dünya atmosferine girince hava direnci nedeniyle aşırı bir şekilde ısınarak akkor hâle gelir ve kütleleri azalır. Bu cisimler geceleri yeryüzünden kısa süreli ışık çizgisi şeklinde görülebilir. Halk arasında bu olaya “akan yıldız” ya da “yıldız kayması” adı verilir.