Yatay hareket sabit hızlıdır; düşey hareketin ivmesi −g’dir.
Uçuş süresini düşey hareketten bulun.
Menzili bulmak için bu süreyi yatay harekette kullanın.
Dairesel hareket
Merkezcil ivme
a = v²/r = ω²·r
Merkezcil kuvvet
F = m·v²/r
Açısal hız
ω = v/r = 2π/T
Düz viraj, sürtünme
vmax = √(μ·g·r)
İş ve enerji
Kinetik enerji
Ek = ½mv²
Potansiyel enerji
Ep = mgh
Enerji denkliği
Ek1 + Ep1 + W = Ek2 + Ep2 + losses
Sürtünme işi
W = μ·N·d
Güç
P = W/t
Momentum ve çarpışmalar
Momentum
p = m·v
Korunum
Σm·v (before) = Σm·v (after)
Tamamen esnek olmayan
v′ = (m1v1 + m2v2)/(m1 + m2)
İtme
J = F·Δt = m·Δv
Yöntem
Bir pozitif yön seçin ve her hıza işaretini verin.
Önceki toplam momentumu yazın: Σm·v.
Tamamen esnek olmayan çarpışmada cisimler sonra birlikte hareket eder; esnek çarpışmada kinetik enerji de korunur.
Önceki momentumu sonraki momentuma eşitleyin ve çözün.
Rijit cismin dönmesi
G’ye göre atalet momentleri
çubuk mL²/12, disk ½mR², halka mR², dolu küre (2/5)mR², içi boş küre (2/3)mR²
Paralel eksen teoremi
I = IG + m·d²
Atalet yarıçapı
I = m·k²
Ucuna göre çubuk
I = mL²/3
Hareket denklemi
ΣM = I·α
rad/s cinsinden hız
ω = 2π·n/60
Kinetik enerji
E = ½·I·ω²
İş ve güç
W = T·θ, P = T·ω
Kaymadan yuvarlanma
v = ω·r, E = ½mv²(1 + I/(mr²)), a = g·sin θ/(1 + I/(mr²))
Açısal momentum
L = I·ω, I1ω1 = I2ω2
Bir mafsal etrafında çarpma
m·v·d = I·ω
Yöntem
Ekseni seçin: sabit bir mafsal ya da yuvarlanan cisimler için kütle merkezi.
O eksene göre atalet momentini standart sonuçlardan bulun; kaydırılmış eksen için I = IG + m·d² kullanın.
Yöntemi seçin: ivmeler ve kuvvetler için ΣM = I·α, hızlar için enerji (½·I·ω² + ½·m·v² + m·g·h), çarpmalar ve ani değişimler için açısal momentum.
Doğrusal ve dönme hareketini v = ω·r ve a = α·r ile bağlayın ve devir/dakikayı rad/s’ye çevirin.
Dişliler ve dişli dizileri
Birbirini kavrayan dişliler
n1·N1 = n2·N2
Tork
T2 = T1·(N2/N1)·η
Güç
P = T·ω, ω = 2π·n/60
Bileşik dişli dizisi
toplam oran = kademe oranlarının çarpımı
Yaylar ve sarkaçlar
Yaydaki kütle
T = 2π·√(m/k)
Sarkaç
T = 2π·√(L/g)
Açısal frekans
ω = √(k/m) = 2π/T
En büyük hız ve ivme
vmax = A·ω, amax = A·ω²
Enerji
E = ½·k·A²
Mekanik titreşimler
Doğal frekans
ωn = √(k/m), fn = ωn/(2π)
Statik çökmeden
ωn = √(g/δst)
Kritik sönüm
cc = 2√(km) = 2mωn
Sönüm oranı
ζ = c/cc
Sönümlü frekans
ωd = ωn√(1 − ζ²)
Logaritmik azalma
δ = (1/n)·ln(x0/xn), ζ = δ/√(4π² + δ²)
Paralel yaylar
k = k1 + k2
Seri yaylar
1/k = 1/k1 + 1/k2
2Alıştırma soruları
1.KinematikOrta
Bir uçak durgun hâlden başlayıp pist boyunca 3,75 m/s² ile düzgün olarak hızlanıyor. 1300 m sonraki hızı v değerini bulun.
v₀ = 0a = 3,75 m/s²s = 1300 m
v = m/s
2.KinematikZor
Bir top, yerden 40 m yükseklikteki bir çatının kenarından 6 m/s hızla düşey olarak yukarı atılıyor. Hava direncini ihmal edin ve g = 9,81 m/s² alın. Top atıldıktan ne kadar süre sonra yere çarpar? t değerini bulun.
v₀ = 6 m/sh₀ = 40 mg = 9,81 m/s²
t = s
3.Newton yasalarıOrta
8 kg’lık bir blok, yatayla 35° açı yapan bir eğik düzlemden aşağı kayıyor. Kinetik sürtünme katsayısı 0,2. g = 9,81 m/s² alın. Bloğun eğim boyunca ivmesi a değerini bulun.
m = 8 kgθ = 35°μ = 0,2g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Newton yasalarıZor
Yatay bir masa üzerindeki 3 kg’lık bir blok, sürtünmesiz bir makaradan geçen hafif bir iple asılı 2,5 kg’lık bir kütleye bağlıdır. Blok ile masa arasındaki kinetik sürtünme katsayısı 0,2. g = 9,81 m/s² alın. Sistemin ivmesi a değerini bulun.
m1 = 3 kgm2 = 2,5 kgμ = 0,2g = 9,81 m/s²
a = m/s²
5.Eğik atışOrta
Bir top düz zeminden 40 m/s hızla atılıyor ve 120 m uzağa düşmelidir. Hava direncini ihmal edin ve g = 9,81 m/s² alın. İki olası atış açısından küçük olanı θ bulun.
v₀ = 40 m/sR = 120 mg = 9,81 m/s²
θ = °
6.Eğik atışZor
Bir top 20 m’lik bir uçurumun tepesinden 13 m/s hızla ve yatayın 40° üstünde atılıyor. Hava direncini ihmal edin ve g = 9,81 m/s² alın. Yere yatayın altında hangi açıyla α çarpar?
v₀ = 13 m/sθ = 40°h = 20 mg = 9,81 m/s²
α = °
7.Dairesel hareketOrta
Bir otomobil 70 m yarıçaplı düz bir virajı dönüyor. Lastiklerle yol arasındaki statik sürtünme katsayısı 0,8. g = 9,81 m/s² alın. Otomobilin kaymadan virajı dönebileceği en yüksek hız vmax değerini bulun.
r = 70 mμs = 0,8g = 9,81 m/s²
vmax = m/s
8.Dairesel hareketZor
240 m yarıçaplı bir viraj 10° eğimlendirilmiştir ve lastikler ile yol arasındaki statik sürtünme katsayısı 0,25’dir. g = 9,81 m/s² alın. Bir otomobilin virajı yukarı ve dışarı kaymadan alabileceği en yüksek hız vmax değerini bulun.
r = 240 mθ = 10°μs = 0,25g = 9,81 m/s²
vmax = m/s
9.İş ve enerjiOrta
1 kg kütleli bir blok, yatayla 40° açı yapan bir eğimde 8 m kayıyor; kinetik sürtünme katsayısı 0,25. Sürtünmeye karşı yapılan iş Wf değerini bulun.
m = 1 kgθ = 40°μ = 0,25d = 8 mg = 9,81 m/s²
Wf = J
10.İş ve enerjiZor
4 kg kütleli bir blok, sürtünmesiz bir rampada 3 m yükseklikten durgun halde bırakılıyor. Altta 4 m uzunluğunda pürüzlü yatay bir şeridi (μ = 0,15) geçiyor ve sonra sürtünmesiz bir yüzeyde bir yaya (k = 800 N/m) çarpıyor. Blok yaya ulaştığındaki hızı v değerini bulun.
m = 4 kgh = 3 mL = 4 mμ = 0,15k = 800 N/mg = 9,81 m/s²
v = m/s
11.Momentum ve çarpışmalarOrta
10 m/s hızla giden 1 kg’lık bir kızak, sürtünmesiz bir ray üzerinde duran 4,5 kg’lık bir kızakla tamamen esnek, kafa kafaya bir çarpışma yapıyor. Çarpışmadan sonra ikinci kızağın hızı v′2 değerini bulun.
m1 = 1 kgm2 = 4,5 kgv1 = 10 m/sv2 = 0
v′2 = m/s
12.Momentum ve çarpışmalarZor
1100 kg’lık bir otomobil park hâlindeki 1500 kg’lık bir otomobile çarpıyor. Enkazlar birbirine kenetleniyor ve durmadan önce 7,5 m kayıyor. Lastikler ile yol arasındaki kinetik sürtünme katsayısı 0,8. g = 9,81 m/s² alın. Birinci otomobilin çarpışmadan hemen önceki hızı v1 değerini bulun.
Bir motor 3000 devir/dakikada 1410 N·m tork veriyor. Çıkış gücünü P kW cinsinden bulun.
T = 1410 N·mn = 3000 rpm
P = kW
14.Rijit cismin dönmesiZor
Bir dolu silindir yatayla 25° eğimli bir yokuştan kaymadan yuvarlanıyor. g = 9,81 m/s² kullanın. Merkezinin ivmesini a bulun.
θ = 25°I = ½·m·r²g = 9,81 m/s²
a = m/s²
15.Dişliler ve dişli dizileriOrta
960 rpm ile dönen 80 mm’lik bir kasnak, %2,5 kaymayla bir kayış aracılığıyla 300 mm’lik bir kasnağı tahrik ediyor. Tahrik edilen kasnağın hızını n2 bulun.
n1 = 960 rpmd1 = 80 mmd2 = 300 mms = 2,5 %
n2 = rpm
16.Dişliler ve dişli dizileriZor
Bileşik bir dişli dizisinde, 960 rpm ile dönen giriş milindeki A dişlisi (15 diş) B dişlisini (48 diş) döndürüyor. C dişlisi (15 diş) B ile aynı mile sabitlenmiştir ve çıkış milindeki D dişlisini (18 diş) döndürüyor. Çıkış hızı nout değerini bulun.
nin = 960 rpmA = 15B = 48C = 15D = 18
nout = rpm
17.Yaylar ve sarkaçlarOrta
k = 90 N/m olan bir yaydaki 3,6 kg’lık kütle sürtünmesiz bir yüzeyde 6 cm genlikle salınıyor. Dengeden 3 cm uzaktayken hızı v değerini bulun.
m = 3,6 kgk = 90 N/mA = 6 cmx = 3 cm
v = m/s
18.Yaylar ve sarkaçlarZor
k = 420 N/m olan bir yaydaki kütle sürtünmesiz bir yüzeyde 6 cm genlikle salınıyor. Dengeden 4 cm uzaktayken kinetik enerjisi K değerini bulun.
k = 420 N/mA = 6 cmx = 4 cm
K = J
19.Mekanik titreşimlerOrta
Rijitliği 80 kN/m olan bir yay üzerindeki 200 kg’lık bir kütlenin, 0,4 sönüm oranı veren viskoz bir sönümleyicisi var. Serbest titreşiminin sönümlü doğal frekansı fd değerini Hz cinsinden bulun.
m = 200 kgk = 80 kN/mζ = 0,4
fd = Hz
20.Mekanik titreşimlerZor
25 kg’lık bir kütle, rijitlikleri k₁ = 80 kN/m ve k₂ = 5 kN/m olan yan yana (paralel) iki yaya asılı. Kütle yatay kalıyor. Yay sisteminin eşdeğer rijitliği keq değerini kN/m cinsinden bulun.
m = 25 kgk1 = 80 kN/mk2 = 5 kN/m
keq = kN/m
3Çözeltiler
1.Kinematik
Cevap: v = 98,74 m/s
Motion with constant acceleration: v = v₀ + a·t, s = v₀·t + ½·a·t² and v² = v₀² + 2·a·s. Pick the equation that contains the three things you know and the one you want, and keep the signs consistent with one positive direction.
Mesafe sonundaki hız
v = √(2·a·s) = √(2·3,75·1300) = 98,74 m/s
Cevap
v = 98,74 m/s
(355,5 km/h)
2.Kinematik
Cevap: t = 3,532 s
Sabit ivmeli hareket: v = v₀ + a·t, s = v₀·t + ½·a·t² ve v² = v₀² + 2·a·s. Bildiğiniz üç büyüklüğü ve aradığınız büyüklüğü içeren denklemi seçin ve işaretleri tek bir pozitif yöne göre tutarlı tutun.
Hareket denklemi
Yukarı pozitiftir ve yer, başlangıç noktasının h₀ altındadır.
−40 = 6·t − ½·9,81·t²
4,905·t² − 6·t − 40 = 0
İkinci derece denklemi çözün
Yalnızca pozitif kök fiziksel olarak anlamlıdır.
t = (6 + √(6² + 2·9,81·40))/9,81 = 3,532 s
Cevap
t = 3,532 s
3.Newton yasaları
Cevap: a = 4,02 m/s²
Newton’un ikinci yasası: bir cisme etkiyen net kuvvet, kütlesi ile ivmesinin çarpımına eşittir: ΣF = m·a. Bir serbest cisim diyagramı çizin, hareket doğrultusunda bir pozitif yön seçin ve o doğrultudaki tüm kuvvetleri toplayın: uygulanan kuvvetler, harekete karşı koyan μ·N sürtünmesi ve yer çekiminin bileşenleri.
Newton’un ikinci yasası: bir cisme etkiyen net kuvvet, kütlesi ile ivmesinin çarpımına eşittir: ΣF = m·a. Bir serbest cisim diyagramı çizin, hareket doğrultusunda bir pozitif yön seçin ve o doğrultudaki tüm kuvvetleri toplayın: uygulanan kuvvetler, harekete karşı koyan μ·N sürtünmesi ve yer çekiminin bileşenleri.
Projectile motion: with no air resistance, x = vxt and y = h + vyt − ½gt². The two directions are independent except that they share the same time.
Menzil formülü
R = v₀²·sin 2θ/g → sin 2θ = 9,81·120/40² = 0,7358
Açı
2θ = 47,37° → θ = 23,69°
Cevap
θ = 23,69°
Diğer çözüm 90° − θ = 66,31°.
6.Eğik atış
Cevap: α = 65,15 °
Projectile motion: with no air resistance, x = vxt and y = h + vyt − ½gt². The two directions are independent except that they share the same time.
Atış hızını bileşenlerine ayırın
vx = 13·cos 40° = 9,959 m/s
vy0 = 13·sin 40° = 8,356 m/s
Çarpmadaki düşey hız
Düşey yönde enerji veya v² = v₀² + 2as.
vy = √(8,356² + 2·9,81·20) = 21,5 m/s
Çarpma açısı
tan α = vy/vx = 21,5/9,959 → α = 65,15°
Cevap
α = 65,15°
7.Dairesel hareket
Cevap: vmax = 23,44 m/s
Düzgün dairesel hareket: r yarıçaplı bir çember üzerinde v hızıyla hareket eden bir cisim merkeze doğru a = v²/r ivmesiyle ivmelenir; bu yüzden içe doğru F = m·v²/r net kuvvetine ihtiyaç duyar. Bu kuvveti gerçek bir etki sağlar: sürtünme, ip gerilmesi, yer çekimi ya da normal kuvvet.
Merkezcil kuvveti sürtünme sağlar
m·v²/r = μ·m·g
v = √(μ·g·r) = √(0,8·9,81·70) = 23,44 m/s
Cevap
vmax = 23,44 m/s (84,38 km/h)
8.Dairesel hareket
Cevap: vmax = 32,4 m/s
Uniform circular motion: an object moving at speed v on a circle of radius r accelerates towards the centre with a = v²/r, so it needs a net inward force F = m·v²/r. That force is supplied by something real: friction, tension, gravity or a normal force.
Kuvvet dengeleri
Sürtünme eğim aşağı yönlüdür.
N·(sin θ + μ·cos θ) = m·v²/r
N·(cos θ − μ·sin θ) = m·g
Sürat
v = √(240·9,81·0,4199/0,9414) = 32,4 m/s
Cevap
vmax = 32,4 m/s
(116,7 km/h)
9.İş ve enerji
Cevap: Wf = 15,03 J
İş–enerji ilkesi: kinetik enerjideki değişim tüm kuvvetlerin işine eşittir. Yer çekimi ve yayları potansiyel enerji (mgh ve ½kx²) olarak yazmak bunu bir denkliğe çevirir: ilk enerji = son enerji + sürtünmeyle kaybedilen enerji (μN·d).
Sürtünme kuvveti
N = mg·cos θ = 9,81·0,766 = 7,515 N
F = μN = 0,25·7,515 = 1,879 N
Sürtünmeye karşı iş
Wf = F·d = 1,879·8 = 15,03 J
Cevap
Wf = 15,03 J
10.İş ve enerji
Cevap: v = 6,862 m/s
İş–enerji ilkesi: kinetik enerjideki değişim tüm kuvvetlerin işine eşittir. Yer çekimi ve yayları potansiyel enerji (mgh ve ½kx²) olarak yazmak bunu bir denkliğe çevirir: ilk enerji = son enerji + sürtünmeyle kaybedilen enerji (μN·d).
Pürüzlü şeritten sonra kalan enerji
Rampa sürtünmesizdir, bu yüzden enerjiyi yalnızca şerit alır.
mgh − μmgL = 39,24·(3 − 0,15·4) = 94,18 J
Yaydaki hız
½mv² = mg(h − μL) → v = √(2g(h − μL)) = √(2·9,81·2,4) = 6,862 m/s
Cevap
v = 6,862 m/s
11.Momentum ve çarpışmalar
Cevap: v′2 = 3,636 m/s
Momentumun korunumu: bir çarpışma sırasında dış kuvvet etkimiyorsa, önceki toplam momentum Σm·v sonrakine eşittir. Hızların yönü vardır; bu yüzden bir pozitif yön seçin ve ters yöndeki hızlara eksi işareti verin. Esnek çarpışmada kinetik enerji de korunur; tamamen esnek olmayan çarpışmada cisimler birbirine yapışır.
Duran hedefle esnek çarpışma
Momentum ve enerji korunumunu birlikte çözmek bu iki sonucu verir.
v′1 = (1 − 4,5)/(1 + 4,5)·10 = −6,364 m/s
v′2 = 2·1/(1 + 4,5)·10 = 3,636 m/s
Cevap
v′2 = 3,636 m/s
12.Momentum ve çarpışmalar
Cevap: v1 = 25,65 m/s
Conservation of momentum: when no external force acts during a collision, the total momentum Σm·v before equals the total after. Velocities have a direction, so pick a positive direction and give velocities the other way a minus sign. In an elastic collision kinetic energy is conserved too; in a perfectly inelastic one the bodies stick together.
Rotation about a fixed axis: the sum of the moments about the axis equals I·α (ΣM = I·α), just as ΣF = m·a for translation. In energy form, a torque T turning through an angle θ (in radians) does work T·θ, which changes the kinetic energy ½·I·ω²; gravity adds or removes m·g·Δh of the centre of mass. Power is P = T·ω.
Açısal hız
ω = 2π·3000/60 = 314,2 rad/s
Güç
P = T·ω = 1410·314,2 = 442965 W = 443 kW
Cevap
P = 443 kW
14.Rijit cismin dönmesi
Cevap: a = 2,764 m/s²
Rolling and angular momentum: a body rolling without slipping has v = ω·r, so its kinetic energy is ½·m·v² + ½·I·ω² = ½·m·v²·(1 + I/(m·r²)). Down a slope that gives a = g·sin θ/(1 + I/(m·r²)). When no external moment acts about an axis, the angular momentum about that axis stays constant, I₁·ω₁ = I₂·ω₂, even if kinetic energy is lost.
Hareket denklemleri
m·g·sin θ − f = m·a
f·r = I·α = 0,5·m·r²·(a/r) → f = 0,5·m·a
İvme
a = g·sin θ/(1 + c) = 9,81·sin 25°/1,5 = 2,764 m/s²
Cevap
a = 2,764 m/s²
15.Dişliler ve dişli dizileri
Cevap: n2 = 249,6 rpm
Kayış-kasnak sürücüleri: kayma olmadığında iki kasnağın çevre hızı aynıdır, v = π·d·n/60; dolayısıyla n₁·d₁ = n₂·d₂ ve hız oranı d₂/d₁’dir. s kayması, tahrik edilen kasnağı biraz yavaşlatır: n₂ = n₁·(d₁/d₂)·(1 − s). İletilen güç P = (T₁ − T₂)·v’dir; T₁ gergin taraftaki, T₂ gevşek taraftaki çekme kuvvetidir. Sürtünme gerilmelerin oranını sınırlar: T₁/T₂ = eμθ; burada θ, küçük kasnaktaki sarılma açısıdır (radyan cinsinden); açık bir kayış için θ = π − 2·asin((d₂ − d₁)/(2C)), C eksenler arası uzaklıktır.
Kaymasız hız
960·80/300 = 256 rpm
Kaymayla
n2 = 256·0,975 = 249,6 rpm
Cevap
n2 = 249,6 rpm
16.Dişliler ve dişli dizileri
Cevap: nout = 250 rpm
Dişli dizileri: birbirini kavrayan dişlilerin dişlerdeki hızı aynıdır, bu yüzden n₁·N₁ = n₂·N₂: dişi az olan dişli daha hızlı döner. Aynı mil üzerindeki dişliler aynı hızla döner. Güç (kayıplar düşülerek) aktarılır, bu yüzden hız düştüğünde tork artar: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η ve P = T·ω, burada ω = 2π·n/60.
Birinci kademe
nB = 960·15/48 = 300 rpm = nC
İkinci kademe
nout = 300·15/18 = 250 rpm
Cevap
nout = 250 rpm
toplam oran = 3,84 : 1
17.Yaylar ve sarkaçlar
Cevap: v = 0,2598 m/s
Simple harmonic motion: a mass m on a spring of stiffness k oscillates with angular frequency ω = √(k/m) and period T = 2π/ω = 2π·√(m/k). A simple pendulum of length L has T = 2π·√(L/g). With amplitude A, the largest speed is A·ω, the largest acceleration A·ω² and the energy ½·k·A².
Açısal frekans
ω = √(90/3,6) = 5 rad/s
x’teki hız
v = ω·√(A² − x²) = 5·√(0,06² − 0,03²) = 0,2598 m/s
Cevap
v = 0,2598 m/s
18.Yaylar ve sarkaçlar
Cevap: K = 0,42 J
Simple harmonic motion: a mass m on a spring of stiffness k oscillates with angular frequency ω = √(k/m) and period T = 2π/ω = 2π·√(m/k). A simple pendulum of length L has T = 2π·√(L/g). With amplitude A, the largest speed is A·ω, the largest acceleration A·ω² and the energy ½·k·A².
Toplam enerji
E = ½·k·A² = ½·420·0,06² = 0,756 J
x’teki yay enerjisi
U = ½·k·x² = ½·420·0,04² = 0,336 J
Kinetik enerji
K = 0,756 − 0,336 = 0,42 J
Cevap
K = 0,42 J
19.Mekanik titreşimler
Cevap: fd = 2,917 Hz
Kütle–yay sisteminin serbest titreşimi: sönümsüz doğal frekans rad/s cinsinden ωn = √(k/m) ve Hz cinsinden fn = ωn/(2π)’dir. Viskoz bir sönümleyici c, ζ = c/cc sönüm oranını verir; kritik sönüm cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn’dir. Az sönümlü bir sistem (ζ < 1) ωd = ωn·√(1 − ζ²) ile salınır. Paralel yaylar toplanır, k = k₁ + k₂; seri yaylar tersleriyle toplanır, 1/k = 1/k₁ + 1/k₂.
Sönümsüz doğal frekans
ωn = √(80000/200) = 20 rad/s
fn = 20/(2π) = 3,183 Hz
Sönümlü doğal frekans
fd = fn·√(1 − ζ²) = 3,183·√(1 − 0,4²) = 2,917 Hz
Cevap
fd = 2,917 Hz
20.Mekanik titreşimler
Cevap: keq = 85 kN/m
Kütle–yay sisteminin serbest titreşimi: sönümsüz doğal frekans rad/s cinsinden ωn = √(k/m) ve Hz cinsinden fn = ωn/(2π)’dir. Viskoz bir sönümleyici c, ζ = c/cc sönüm oranını verir; kritik sönüm cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn’dir. Az sönümlü bir sistem (ζ < 1) ωd = ωn·√(1 − ζ²) ile salınır. Paralel yaylar toplanır, k = k₁ + k₂; seri yaylar tersleriyle toplanır, 1/k = 1/k₁ + 1/k₂.
Eşdeğer rijitlik
Yan yana yaylar aynı uzamayı paylaşır ve kuvvetleri toplanır, bu yüzden rijitlikleri doğrudan toplanır: k = k1 + k2.