İş (fizik)

Fizikte, bir kuvvet bir cisim üzerine etki ettiğinde ve kuvvetin uygulama yönünde konum değişikliği olduğunda iş yaptığı söylenir. Örneğin, bir valizi yerden kaldırdığınızda, valiz üzerine yapılan iş kaldırıldığı yükseklik süresince ağırlığını kaldırmak için aldığı kuvvettir.

İş terimi ilk kez 1826 yılında Fransız matematikçi Gaspard-Gustave Coriolis tarafından sel altında kalmış madenlerden suyu çıkartmak için kullanılan eski buhar makinelerinin kullanımına dayanan “yükseklik boyu kaldırılan ağırlık" olarak tanımlanmıştır. Uluslararası Birimler Sistemi (SI)’ndeki iş birimi newton-metre ya da joule'dür.

Örneğin, 10 newtonluk bir kuvvet 2 metrelik yol giden bir noktaya uygulanırsa, W = (10 N)(2 m) = 20 N m = 20 J iş yapmış olur. Bu yaklaşık olarak 1 kg ağırlığın yerden bir insanın kafa hizasına kadar yerçekimi kuvvetine karşı kaldırılırken yapılan iştir. İşin aynı yükseklikte iki kat ağırlık ya da aynı ağırlıkta iki kat yüksekliğe kaldırılmasıyla ikiye katlandığını göz önüne alın.

Eş değer ölçüde Newton-metre (N•m) bazen işin ölçüm birimi olarak kullanılır fakat bu dönme momenti ölçüm birimi olan Newton-metre birimiyle karıştırılabilir. Newton-metre olarak ifade edilen niceliğin dönme momenti ölçümü mü yoksa enerji ölçümümü olduğu konusunda karışıklığa neden olabileceği için Nm kullanımı SI yetkilileri tarafından kaldırılmıştır.

SI dışındaki iş birimleri erg, ayak-libre, kilovat saat, litre-atmosfer ve beygir gücü-saattir. İşin ısıyla aynı fiziksel boyuta sahip olmasından dolayı, bazen kalori, BTU gibi genel olarak ısı veya enerji içeriğine mahsus ölçüm birimleri kullanılır.

İş enerji ile yakından ilişkilidir. Enerjinin korunumu yasası bir sistemin toplam iç enerjisindeki değişimin eklenen ısıdan sistem tarafından yapılan işin çıkarılmasına eşit olduğunu öne sürer.

Newton’un ikinci yasasından, serbest, katı bir cisim üzerine yapılan işin bu cismin rotasyon ve süratinin kinetik enerjisindeki değişime eşit olduğu görülebilir.

Potansiyel fonksiyon tarafından ortaya çıkarılan iki kuvvet potansiyel enerji olarak bilinir ve bu kuvvetler korunumludur denir. Böylece yalnızca korunumlu kuvvet alanına rotasyon ve süratta değişiklik olmadan yerleştirilmiş bir nesne üzerindeki iş nesnenin (-) potansiyel enerjisinin değişimine eşittir.

Bu formüller işin bir kuvvetin hareketiyle ilgili enerjisi olduğunu gösterir, yani iş sonradan enerjinin fiziksel boyutlarını ve birimlerini sahip olur. Burada tartışılan iş/enerji prensipleri elektrik iş/enerji prensiplerine benzerdir.

Belirleyici güçler nesneyi bir sınır içerisinde kısıtlı tutan bir sistemdeki bileşenlerin hareketini belirler (yerçekimi ve bir eğim durumunda, nesne eğime yapışır, gergin bir tele tutturulduğunda teli daha da germek için ileriye doğru hareket edemez). Belirleyicinin yönündeki bütün hareketleri ortadan kaldırırlar, yani belirleyici kuvvetler o nesnenin süratı bu kuvvete 0 paralel olmaya zorlandığı için bu kuvvet dolayısıyla sistem üzerinde iş yapmazlar.

Örneğin, düzgün dairesel hareket yanında bir top üzerindeki bir yay tarafından içeriye doğru uygulanan merkezcil kuvvet topu hareketini dairenin merkezinden uzağa doğru sınırlandıran dairesel harekete zorlar. Bu kuvvet sıfır iş yapar çünkü topun süratine diktir.

Bir diğer örnek ise masa üzerinde duran kitaptır. Eğer masa üzerinde kayması için kitaba dış kuvvetler uygulanırsa, masa tarafından uygulanan kuvvet kitabın aşağıya doğru hareketini kısıtlar. Masa tarafından uygulanan kuvvet kitabı destekler ve hareketine dikeydir, bu da belirleyici kuvvetin iş yapmadığı anlamına gelir.

Yüklü bir parçacık üzerindeki manyetik güç F = qv × B’dir, burada q yük, v parçacığın sürati ve B manyetik alan. Çapraz çarpım sonucu daima orijinal vektörlerin her ikisine de diktir, yani F ⊥ v. İki dikey vektörün iç çarpım ürünü daima sıfırdır yani iş W = F · v = 0’dır ve manyetik güç iş yapmaz. Hareketin yönünü değiştirebilir ama hiçbir zaman sürati değiştiremez.

Nesneleri hareket ettirmek için, iş/zaman niceliği mesafe/zaman ya da sürat olarak hesaplanır. Yani, herhangi bir anda, kuvvet (joules/saniye ya da watt olarak ölçülen) tarafından yapılan bir işin değeri kuvvetin ve uygulama noktasının sürat vektörünün skaler çarpımıdır. Sürat ve kuvvetin skaler çarpımı ani güç olarak sınıflandırılır. Matematik temel teoremince, süratler bütün bir mesafeyi almak için zamanla birleşebileceklerinden, bir yol boyunca toplam iş benzer şekilde uygulama noktası yörüngesi boyunca uygulanan ani gücün zaman-integralidir.

Bir cisme uygulanan kuvvetin daima sürat vektöründen 90 derece açıda olması durumunda ( bir cisim merkezcil kuvvet altında bir dairede hareket ettiğinde), 90 derecenin kosinüsü sıfır olduğunda hiç iş yapılmamış olur. Yani, dairesel yörüngeli bir gezegen (bütün yörüngeler biraz eliptik olduğu için ideal budur) üzerinde yerçekimi tarafından hiç iş yapılamaz. Ayrıca, mekanik kuvvet tarafından sınırlandırılmışken sabit bir hızda dairesel olarak hareket eden bir cisim üzerine de hiç iş yapılmaz. Örneğin sürtünmesiz ideal bir santrifüjde sabit hızla hareket etmek gibi.

F kuvveti ve uygulama noktasının v süratinin skaler çarpımı zamanın herhangi bir anında bir sisteme güç girişini tanımlar. Bu gücün uygulama noktası gidim izine entegrasyonu, C=x(t), güç tarafından sisteme iş girişini tanımlar.

dx(t), C gidim izi ve v bu gidim izi boyunca olan sürat. Genelde bu integral süratin belirtildiği bir patika gerektirir, bu yüzden işin değerlendirmesi bağıl opsiyondur denir.

Yerçekimi her nesne üzerine devamlı aşağıya doğru bir kuvvet uygular. Yeryüzünün yüzeyine yakın yerlerde yerçekimine bağlı ivme g=9.8 m.s−2 ‘dir ve m kütleli nesnenin üzerindeki yerçekimi kuvveti Fg=mg’dır. Bu yerçekimi kuvvetini nesnenin kütle merkezine yoğunlaşmış olarak düşünmek gerekir. Eğer bir nesnenein y2 - y1 dikey uzaklığında yukarıya ya da aşağıya doğru yeri değiştirilirse, mg cinsinden ağırlığı tarafından nesneye yapılan W işi:Fg (İngiliz ölçü birimde pound, SI birimlerinde Newton) ağırlık ve Δy, y yüksekliğindeki değişim. Yerçekimi tarafından yapılan işin yalnızca nesnenin dikey hareketine dayandığına dikkat edin. Sürtünmenin varlığı nesneye ağırlığı tarafından yapılan işi etkilemez.

Yaylardaki kuvvetler paraleldir.Bir nesnenin nasıl hareket ettiğinden bağımsız olarak x yönündeki sapmasına orantısal olan bir yatay F=(-kx, 0, 0) kuvveti uygulayan bir yay göz önüne alın. Bu yayın X(t) = (x(t), y(t), z(t)), eğrisi boyunca hareket eden bir nesne üzerindeki işi F sağlamak için v=(vx, vy, vz), sürati kullanılarak hesaplanır.

İş ve kinetik enerji ilkesi (iş-enerji ilkesi olarak da bilinir) bir parçacık üzerine etki eden bütün kuvvetler tarafından yapılan işin parçacığın kinetik enerjisindeki değişime eşit olduğunu öne sürer.

Eğer bileşke dönme momenti katı bir cisim üzerine etki ederse, tanım bileşke tork tarafından yapılan iş ve katı cismin rotasyonal kinetik enerjisindeki değişimi eşitlemek için genişletilebilir.

İş-enerji ilkesinin açığa çıkışı Newton’un ikinci kuralı ile ve parçacığa uygulanan kuvvetleri de içeren bileşke kuvvet ve hareketini etkileyen sınırlayıcı kuvvetlerle başlar. Parçacığın sürati ile birlikte kuvvetlerin skaler çarpımlarının ölçümlemesi sisteme eklenen eni gücü değerlendirir.

Sınırlayıcılar parçacığın hareket yönünü sınırlayıcı kuvvetin yönünde süratin bileşkesi olmamasını sağlayarak belirlerler. Bu aynı zamanda sınırlayıcı kuvvetlerin ani güce katılmadıkları anlamına gelir. Bu skaler denklemin zamana göre türevi ani güçten iş ve sürat ve ivmenin skaler çarpımından kinetik enerji kazancı sağlar. İş-enerji ilkesinin sınırlayıcı kuvvetleri ortadan kaldırdığı gerçeği Lagrange mekaniği altında yatar.

Bu bölüm iş-enerji ilkesine parçacık dinamiğine uygulanması noktasında odaklanıyor. Daha genel sistemlerde iş bir mekanik aracın potansiyel enerjisini, termal sistemdeki ısı enerjisini ya da bir elektronik aygıttaki elektrik enerjisini değiştirebilir. İş enerjisi bir noktadan diğerine ya da bir formdan diğerine transfer eder.

Parçacık dinamiğinde, bir sisteme uygulanan işi kinetik enerjisindeki değişime eşitleyen bir formül Newton’un ikinci hareket yasasının ilk integrali olarak sağlanır. Newton’un yasalarında kullanılan bileşke kuvvet'in parçacığa uygulanan kuvvetler ve parçacığın hareketindeki sınırlayıcılara maruz kalan kuvvetler olarak ayrılabileceğini fark etmek gerekir. Sınırlayıcı kuvvetin işi sıfırdır, dolayısıyla yalnızca kuvvetlere uygulanan işin iş-enerji ilkesinde değerlendirilmesi gerekir.

Örnek olarak kayarak duran bir arabayı göz önüne alın (ksürtünme katsayısı ve W arabanın ağırlığı). Bu durumda gidim izi boyunca kuvvet Fx =-kW olur. Arabanın sürati v iş-enerji ilkesi kullanılarak kaymanın s uzunluğundan belirlenebilir.

Bir aracın hareketsiz olarak başladığı ve bir dağ yolundan aşağıya doğru gittiğini düşünün, iş-enerji ilkesi aracın Vsüratine ulaşmak için gittiği minimum mesafeyi hesaplamaya yardım eder. Yuvarlanma direnci ve hava direnci aracı yavaşlatacaktır yani asıl mesafe kuvvetler ihmal edildiği durumdan daha az olacaktır.

Bu denklemin V=(vx, vy,vz) vektörüyle sakler çarpımı : sonucunu verir.V V’nin genliği. Araç ve yol arasındaki sınırlayıcı kuvvetler bu denklemi geçersiz kılar çünküR.V=0 ve bu iş yapmadıkları anlamına gelir. İki tarafın da : elde etmek için integralini alalım.

elde etmek için bu şekilde tekrar yazılabilir. F ve T katı cismin M hareket çerçevesindeki d' referans noktasına uygulanan bileşke kuvvet ve dönme momentinin sonuçlarıdır.