Fiziğin Muhteşem DünyasıEtkileşimli fizik simülasyonları
Ana sayfa › Fizik I › İş ve Enerji · Mekanik Enerjinin Korunumu

Enerji Pisti: Mekanik Enerjinin Korunumu

Yalnızca korunumlu kuvvetler (yerçekimi) iş yapıyorsa mekanik enerji sabittir: $E = K + U = \tfrac12 mv^2 + mgh = \text{sabit}$. Normal kuvvet harekete dik olduğu için iş yapmaz; bu yüzden pistin şekli değil yalnızca yüksekliği hızı belirler:

$$v(h) = \sqrt{v_0^2 + 2g\,(h_0 - h)}$$

Sürtünme varsa kinetik sürtünmenin yaptığı iş mekanik enerjiyi ısıya ($E_{\text{ıs}}$) dönüştürür: $K + U + E_{\text{ıs}} = E_0$.

Pistten ayrılma

Araba pistin üstünde hareket eder. Normal kuvvet $N = m\left(g\cos\alpha + \kappa v^2\right)$ ile verilir; burada $\alpha$ eğim açısı, $\kappa$ pistin eğriliğidir (tepe noktalarında $\kappa<0$). Bir tepede $v^2 > g\cos\alpha / |\kappa|$ olursa $N$ sıfıra düşer ve raya kilitli olmayan bir araba pistten ayrılır. Gerçek lunapark trenlerinde tekerlekler rayı alttan da kavradığı için ayrılma olmaz; bunu denemek için “raya kilitli” seçeneğini kapatın.

Parametreler

Sürtünme bölgesi

Mavi kontrol noktalarını sürükleyerek pisti değiştirin. Piste tıklayınca o noktadaki hız ve normal kuvvet hesaplanır.

Hesaplama

Bunu dene

1. Sürtünmeyi kapatın, arabayı $v_0 = 0$ ile en yüksek noktadan bırakın. Araba başladığı yükseklikten daha yükseğe çıkabiliyor mu? Toplam enerji çubuğunu izleyin.

Açıklama
Hayır. $K \ge 0$ olduğundan $U = E_0 - K \le E_0$, yani $h \le h_0$. Araba ancak $h_0$ yüksekliğine kadar çıkabilir; o noktada hızı sıfırdır. Toplam enerji çubuğu sabit kalır (sayısal hata %0.1'in altında).

2. Varsayılan pistte sürtünmesiz durumda arabayı $h_0 = 5.0$ m'den $v_0=0$ ile bırakın. Yerden $1.0$ m yükseklikteki bir noktaya tıklayın. Hız kaç m/s'dir? Pistin o noktaya kadarki şekli sonucu değiştiriyor mu?

Açıklama
$v = \sqrt{2g(h_0-h)} = \sqrt{2(9.81)(4.0)} = 8.86\ \text{m/s}$. Kontrol noktalarını sürükleyip pistin aradaki şeklini değiştirin; aynı yükseklikteki noktada hız değişmez (sürtünme yoksa).

3. Tüm pistte $\mu_k = 0.10$ seçin ve arabayı bırakın. Araba sonunda neden durur? Durduğunda $E_{\text{ıs}}$ ile başlangıç enerjisini karşılaştırın.

Açıklama
Kinetik sürtünme her harekette negatif iş yapar: $W_f = -\int \mu_k N\, ds$. Mekanik enerji ısıya dönüşür; araba bir çukurda durduğunda $E_{\text{ıs}} = E_0 - mgh_{son}$ olur ve toplam ($K+U+E_{\text{ıs}}$) yine $E_0$'a eşittir.

Fizik I dersindeki diğer simülasyonlar