Konu anlatımı
Saatlerce ders çalışan bir öğrenci yorulur ama fizikçiye göre iş yapmamıştır. Bu alt başlıkta fiziksel anlamda işin ne olduğunu, nasıl hesaplandığını ve işin hangi durumlarda pozitif, negatif ya da sıfır olduğunu göreceksin.
Tanım ve birim
Bir kuvvetin fiziksel anlamda iş yapabilmesi için cismin kuvvet doğrultusunda yer değiştirmesi gerekir. Hareket doğrultusundaki sabit bir kuvvetin yaptığı iş, kuvvet ile yer değiştirmenin çarpımıdır: W = F·Δx. İş skaler bir büyüklüktür ve birimi joule'dür; 1 J, 1 N'luk kuvvetin cismi kendi doğrultusunda 1 m yer değiştirmesiyle yapılan iştir. TYT'de iş hesabı, hareketle aynı doğrultudaki kuvvetlerle sınırlıdır.
Pozitif, negatif ve sıfır iş
Kuvvet hareketle aynı yöndeyse yaptığı iş pozitiftir ve cismin enerjisini artırır. Kuvvet hareketin tersi yöndeyse yaptığı iş negatiftir; frenleme kuvveti gibi kuvvetler cismin enerjisini azaltır. Kuvvet hareket doğrultusuna dikse iş yapmaz: yatay yolda giden bir cisme etkiyen ağırlık ve yüzeyin tepki kuvveti iş yapmaz. Cisim hiç yer değiştirmiyorsa uygulanan kuvvet ne kadar büyük olursa olsun iş sıfırdır.
Günlük dil ile fizik
Günlük dilde zihinsel ya da bedensel her çaba iş olarak adlandırılır. Fizikte ise iş, kuvvet ve kuvvet doğrultusundaki yer değiştirme olmadan tanımlanamaz. Ağır bir çantayı yerden kaldırırken iş yaparsın; çantayı elinde tutup düz bir koridorda sabit hızla yürürken ise elinin uyguladığı yukarı yönlü kuvvet harekete dik olduğu için iş yapmaz. Yine de yorulursun, çünkü kasların kasılı kalmak için enerji harcar.
Net kuvvetin işi
Bir cisme birden çok kuvvet etki ediyorsa her kuvvetin işi ayrı ayrı bulunup toplanabilir; bu toplam, net kuvvetin yaptığı işe eşittir. Net iş pozitifse cisim hızlanır, negatifse yavaşlar, sıfırsa sürati değişmez. İş ile enerji arasındaki ilişki kavramsal olarak şöyle özetlenir: iş, enerjinin bir cisimden başka bir cisme ya da bir biçimden başka bir biçime aktarılmasıdır.
Çözümlü örnekler
Örnek 1. Yatay bir yolda bir el arabası, hareket yönünde uygulanan 80 N'luk yatay bir kuvvetle 15 m itiliyor. Bu kuvvetin yaptığı iş nedir? Arabanın ağırlığı iş yapar mı?
Çözüm. Kuvvet hareketle aynı yönde olduğu için W = F·Δx = 80·15 = 1200 J'dür. Ağırlık düşey doğrultudadır, arabanın yer değiştirmesi ise yataydır. Ağırlık hareket doğrultusuna dik olduğu için iş yapmaz; aynı nedenle yerin arabaya uyguladığı tepki kuvveti de iş yapmaz.
Örnek 2. Bir garson elinde tepsiyle düz bir koridorda sabit hızla 12 m yürüyor. Garsonun tepsiye uyguladığı yukarı yönlü kuvvet iş yapar mı? Bir öğrenci 50 N'luk bir kuvvetle duvarı 2 dakika boyunca itiyor; öğrenci duvar üzerinde iş yapar mı?
Çözüm. Garsonun tepsiye uyguladığı kuvvet yukarı doğrudur, tepsinin yer değiştirmesi ise yataydır. Kuvvet hareket doğrultusuna dik olduğu için yapılan iş sıfırdır. Duvarı iten öğrenci de duvar yer değiştirmediği için fiziksel anlamda iş yapmaz. İki kişi de yorulur, çünkü kaslar kasılı kalmak için besinlerden gelen enerjiyi harcar; ama bu harcama fiziksel anlamda iş değildir.
Sık yapılan hatalar
- Kuvvet uygulanan her durumda iş yapıldığını sanmak.
- Harekete dik kuvvetlerin de iş yaptığını düşünmek.
- Harekete zıt yöndeki kuvvetin işini pozitif almak.
- W = F·Δx; kuvvet hareket doğrultusunda olmalıdır.
- Aynı yönlü kuvvet pozitif, zıt yönlü kuvvet negatif iş yapar; dik kuvvet iş yapmaz.
- Net iş pozitifse cisim hızlanır, negatifse yavaşlar.