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
80 km/h hızla giden bir sürücü bir engel görüyor. Tepki süresi 0,6 s’dir; ardından otomobil 5,5 m/s² sabit yavaşlamayla fren yapıyor. Engeli gördüğü andan itibaren toplam durma mesafesi d değerini bulun.
v₀ = 80 km/htr = 0,6 sa = −5,5 m/s²
d = m
2.KinematikZor
Bir taş bir kuyuya durgun hâlden bırakılıyor. Suya çarpma sesi taş bırakıldıktan 3,6 s sonra duyuluyor. Ses hızı 343 m/s’dir; hava direncini ihmal edin ve g = 9,81 m/s² alın. Kuyunun derinliği d değerini bulun.
ttotal = 3,6 svsound = 343 m/sg = 9,81 m/s²
d = m
3.Newton yasalarıOrta
18 kg’lık bir blok, yatayla 25° açı yapan bir eğik düzlemden aşağı kayıyor. Kinetik sürtünme katsayısı 0,1. g = 9,81 m/s² alın. Bloğun eğim boyunca ivmesi a değerini bulun.
m = 18 kgθ = 25°μ = 0,1g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Newton yasalarıZor
Yatay bir masa üzerindeki 2,5 kg’lık bir blok, sürtünmesiz bir makaradan geçen hafif bir iple asılı 2 kg’lık bir kütleye bağlıdır. Masa sürtünmesizdir. g = 9,81 m/s² alın. Sistemin ivmesi a değerini bulun.
m1 = 2,5 kgm2 = 2 kgμ = 0g = 9,81 m/s²
a = m/s²
5.Eğik atışOrta
Bir top düz zeminden 34 m/s hızla atılıyor ve 95 m uzağa düşmelidir. Hava direncini ihmal edin ve g = 9,81 m/s² alın. İki olası atış açısından küçük olanı θ bulun.
v₀ = 34 m/sR = 95 mg = 9,81 m/s²
θ = °
6.Eğik atışZor
Bir top 20 m’lik bir uçurumun tepesinden 14 m/s hızla ve yatayın 50° üstünde atılıyor. Hava direncini ihmal edin ve g = 9,81 m/s² alın. Uçurumun dibindeki zeminden en büyük yükseklik H değerini bulun.
v₀ = 14 m/sθ = 50°h = 20 mg = 9,81 m/s²
H = m
7.Dairesel hareketOrta
1,2 m uzunluğundaki bir ipe bağlı küçük bir top, ip düşeyle sabit 50° açı yapacak şekilde yatay bir çemberde dönüyor (konik sarkaç). g = 9,81 m/s² alın. Topun hızı v değerini bulun.
L = 1,2 mθ = 50°g = 9,81 m/s²
v = m/s
8.Dairesel hareketZor
0,7 m uzunluğundaki hafif bir ipe bağlı 1,1 kg’lık bir top düşey bir çemberde döndürülüyor. En alt noktada hızı 10,5 m/s’dir. Hava direncini ihmal edin ve g = 9,81 m/s² alın. En üst noktada ipteki gerilme Ttop değerini bulun.
Düz bir yolda 60 km/h hızla giden bir otomobil sert fren yapıyor ve tekerlekleri kilitli olarak kayarak duruyor. Lastikler ile yol arasındaki kinetik sürtünme katsayısı 0,4’dir. Durma mesafesi d değerini bulun.
v = 60 km/hμ = 0,4g = 9,81 m/s²
d = m
10.İş ve enerjiZor
Kütlesi 2 kg olan bir blok, 15° eğimli bir yüzeyin dibinde durgun hâlden başlıyor ve eğime paralel 10 N sabit bir kuvvetle yukarı çekiliyor. Kinetik sürtünme katsayısı 0,1’tür. Blok eğim boyunca 7 m yukarı hareket ettikten sonraki hızı v değerini bulun.
Yatay olarak 20 m/s hızla giden 13 kg’lık bir mermi, aynı doğru boyunca hareket eden iki parçaya ayrılarak patlıyor. 1 kg’lık parça 80 m/s hızla ileri devam ediyor. 12 kg’lık parçanın hızı v′2 değerini bulun (ilk yönde pozitif).
M = 13 kgu = 20 m/sm1 = 1 kgv′1 = 80 m/sm2 = 12 kg
v′2 = m/s
12.Momentum ve çarpışmalarZor
0,25 kg’lık bir top bir duvara 9 m/s hızla çarpıyor ve 4 m/s hızla tam geri sekiyor. Temas 40 ms sürüyor. Duvarın topa verdiği itmenin büyüklüğü J değerini bulun.
m = 0,25 kgvin = 9 m/svout = 4 m/sΔt = 40 ms
J = N·s
13.Rijit cismin dönmesiOrta
Bir motor, atalet momenti 36,5 kg·m² olan bir volanı 15 s içinde duruştan 1900 devir/dakikaya çıkarıyor. Kayıpları ihmal ederek verdiği ortalama gücü Pavg kW cinsinden bulun.
I = 36,5 kg·m²n = 1900 rpmt = 15 s
Pavg = kW
14.Rijit cismin dönmesiZor
Kütlesi 2 kg olan bir dolu küre kaymadan 8,5 m/s ile yuvarlanıyor. Toplam kinetik enerjisini Ek bulun.
m = 2 kgv = 8,5 m/sI = (2/5)·m·r²
Ek = J
15.Dişliler ve dişli dizileriOrta
960 rpm ile dönen 150 mm’lik bir kasnak, %2 kaymayla bir kayış aracılığıyla 450 mm’lik bir kasnağı tahrik ediyor. Tahrik edilen kasnağın hızını n2 bulun.
n1 = 960 rpmd1 = 150 mmd2 = 450 mms = 2 %
n2 = rpm
16.Dişliler ve dişli dizileriZor
Açık bir kayış, 720 rpm ile dönen 125 mm’lik bir tahrik kasnağını 315 mm’lik bir kasnağa bağlıyor; merkezler 800 mm arayla duruyor. Sürtünme katsayısı 0,3 ve gergin taraftaki çekme kuvveti 1000 N’u aşamaz. Kayışın kaymadan iletebileceği en büyük gücü P kW cinsinden bulun (merkezkaç etkilerini yok sayın).
Başka bir gezegendeki bir astronot, 1,8 m uzunluğundaki bir basit sarkacın küçük salınımlar için periyodunun 4,37 s olduğunu buluyor. O gezegendeki yerçekimi ivmesi g değerini bulun.
L = 1,8 mT = 4,37 s
g = m/s²
18.Yaylar ve sarkaçlarZor
k = 270 N/m olan bir yaya bağlı 3,6 kg’lık bir kütle denge konumundan 6 cm çekilip serbest bırakılıyor. En büyük ivmesi amax değerini bulun.
m = 3,6 kgk = 270 N/mA = 6 cm
amax = m/s²
19.Mekanik titreşimlerOrta
2 kg’lık bir kütle, rijitliği 8 kN/m olan bir yay ve sönüm katsayısı 10 N·s/m olan viskoz bir sönümleyiciyle taşınıyor. Sönüm oranı ζ değerini bulun.
m = 2 kgk = 8 kN/mc = 10 N·s/m
ζ =
20.Mekanik titreşimlerZor
5 kg’lık bir kütle uç uca (seri) bağlı iki yaya asılı: üstteki yayın rijitliği k₁ = 25 kN/m, alttakinin k₂ = 30 kN/m. Yay sisteminin eşdeğer rijitliği keq değerini kN/m cinsinden bulun.
m = 5 kgk1 = 25 kN/mk2 = 30 kN/m
keq = kN/m
3Çözeltiler
1.Kinematik
Cevap: d = 58,23 m
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.
Birimler
v₀ = 80/3,6 = 22,22 m/s
Tepki mesafesi
d1 = v₀·tr = 22,22·0,6 = 13,33 m
Fren mesafesi
d2 = v₀²/(2a) = 22,22²/(2·5,5) = 44,89 m
Toplam
d = 13,33 + 44,89 = 58,23 m
Cevap
d = 58,23 m
2.Kinematik
Cevap: d = 57,76 m
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.
Sürenin iki kısmı
½·9,81·t₁² = 343·(3,6 − t₁)
4,905·t₁² + 343·t₁ − 1235 = 0
Düşme süresi
Yalnızca pozitif kök fiziksel olarak anlamlıdır.
t₁ = (−343 + √(343² + 4·4,905·1235))/(2·4,905) = 3,432 s
Derinlik
d = ½·9,81·3,432² = 57,76 m
Cevap
d = 57,76 m
3.Newton yasaları
Cevap: a = 3,257 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 = 9,81·95/34² = 0,8062
Açı
2θ = 53,72° → θ = 26,86°
Cevap
θ = 26,86°
Diğer çözüm 90° − θ = 63,14°.
6.Eğik atış
Cevap: H = 25,86 m
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.
Düşey atış hızı
vy = 14·sin 50° = 10,72 m/s
Uçurumun üstündeki yükselme
Δh = vy²/(2g) = 10,72²/(2·9,81) = 5,862 m
Yerden yükseklik
H = 20 + 5,862 = 25,86 m
Cevap
H = 25,86 m
7.Dairesel hareket
Cevap: v = 3,278 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.
Çemberin yarıçapı
r = L·sin θ = 1,2·sin 50° = 0,9193 m
Sürat
İp gerilmesi ve yerçekimi birlikte içe doğru kuvveti verir: tan θ = v²/(r·g).
v = √(r·g·tan θ) = √(0,9193·9,81·tan 50°) = 3,278 m/s
Cevap
v = 3,278 m/s
8.Dairesel hareket
Cevap: Ttop = 119,3 N
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.
Tepedeki hız
2r yükseklik boyunca kinetik enerji potansiyel enerjiye dönüşür.
vtop² = 10,5² − 4·9,81·0,7 = 82,78 m²/s²
Tepedeki kuvvetler
İp gerilmesi ve yerçekimi ikisi de aşağı, merkeze doğrudur.
T + m·g = m·vtop²/r
T = 1,1·82,78/0,7 − 1,1·9,81 = 119,3 N
Cevap
Ttop = 119,3 N
9.İş ve enerji
Cevap: d = 35,39 m
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).
Temel birimlerde hız
v = 60/3,6 = 16,67 m/s
Enerji denkliği
½mv² = μmg·d → d = v²/(2μg) = 16,67²/(2·0,4·9,81) = 35,39 m
Cevap
d = 35,39 m
Hızı iki katına çıkarmak durma mesafesini dört katına çıkarır.
10.İş ve enerji
Cevap: v = 4,603 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).
Eğim boyunca kuvvetler
m·g = 2·9,81 = 19,62 N
mg·sin θ = 5,078 N
μ·mg·cos θ = 1,895 N
İş–enerji
½mv² = (10 − 6,973)·7 = 21,19 J
v = √(2·21,19/2) = 4,603 m/s
Cevap
v = 4,603 m/s
11.Momentum ve çarpışmalar
Cevap: v′2 = 15 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.
Önceki momentum
p = M·u = 13·20 = 260 kg·m/s
Sonraki momentum
260 = 1·80 + 12·v′2
v′2 = (260 − 80)/12 = 15 m/s
Cevap
v′2 = 15 m/s
12.Momentum ve çarpışmalar
Cevap: J = 3,25 N·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.
Momentumdaki değişim
J = m·Δv = 0,25·(4 + 9) = 3,25 N·s
Cevap
J = 3,25 N·s
13.Rijit cismin dönmesi
Cevap: Pavg = 48,17 kW
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·1900/60 = 199 rad/s
Enerji
E = ½·I·ω² = ½·36,5·199² = 722482 J
Ortalama güç
Pavg = E/t = 722482/15 = 48165 W = 48,17 kW
Cevap
Pavg = 48,17 kW
14.Rijit cismin dönmesi
Cevap: Ek = 101,2 J
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.
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
960·150/450 = 320 rpm
Kaymayla
n2 = 320·0,98 = 313,6 rpm
Cevap
n2 = 313,6 rpm
16.Dişliler ve dişli dizileri
Cevap: P = 2,74 kW
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.
Sarılma açısı
θ = 2,904 rad
Gevşek taraftaki çekme kuvveti
eμθ = e0,8711 = 2,389, T₂ = 1000/2,389 = 418,5 N
Güç
P = (1000 − 418,5)·4,712 = 2,74 kW
Cevap
P = 2,74 kW
17.Yaylar ve sarkaçlar
Cevap: g = 3,721 m/s²
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.
g için çözün
g = 4π²·L/T² = 4π²·1,8/4,37² = 3,721 m/s²
Cevap
g = 3,721 m/s²
18.Yaylar ve sarkaçlar
Cevap: amax = 4,5 m/s²
Basit harmonik hareket: k sertlikli bir yaya bağlı m kütlesi ω = √(k/m) açısal frekansı ve T = 2π/ω = 2π·√(m/k) periyoduyla salınır. L uzunluğundaki basit sarkaç için T = 2π·√(L/g). A genliğiyle en büyük hız A·ω, en büyük ivme A·ω² ve enerji ½·k·A²’dir.
Açısal frekans
ω = √(270/3,6) = 8,66 rad/s
En büyük ivme
amax = A·ω² = 0,06·8,66² = 4,5 m/s²
Cevap
amax = 4,5 m/s²
19.Mekanik titreşimler
Cevap: ζ = 0,03953
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.
Kritik sönüm
cc = 2·√(k·m) = 2·√(8000·2) = 253 N·s/m
Sönüm oranı
ζ = c/cc = 10/253 = 0,03953
Cevap
ζ = 0,03953
ζ < 1, bu yüzden sistem az sönümlüdür ve sönerken salınır.
20.Mekanik titreşimler
Cevap: keq = 13,64 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
Seri yaylar aynı kuvveti taşır ve uzamaları toplanır, bu yüzden tersleriyle birleşir: 1/k = 1/k1 + 1/k2.