3- Enerji Dönüşümleri

Devr-i Daim Makineler Sınırsız enerji üretmek mümkün müdür? İnsanlar yüzyıllardır kendi enerjisini üreten ve dışarıdan herhangi bir ek enerjiye ihtiyaç kalmadan çalışabilen makineler tasarlamak için çalışmışlardır. Şimdilerde ise “Free energy“, “Elektrik faturasına son” başlıkları altında sunulan bu tür makineler gerçekten de sınırsız enerjiye sahip olabilirler mi? Tarih içinde sayısız denemeleri yapılan bu tür makineler gerçekten de dışarıdan ek enerjiye ihtiyaç duymadan çalışmayı başarabilmişler mi?

Elinize bir taş alıp bunu yukarı doğru hareket ettirdiğinizi düşününüz. Bunu yaparken hiç şüphesiz bir enerji harcamış ve iş yapmış olursunuz. Peki harcadığınız bu enerji nereye gidiyor?

Bizler iş yaparken enerji harcarız ve bu nedenle yoruluruz. Aslında iş yaparken gerçekleştirdiğimiz olay enerjimizi iş yaptığımız cisme aktarmaktır böylece o cisim bizden aldığı enerji ile iş yapabilme yeteneğine sahip olur.

Şimdi yukarıdaki olaya dönelim. Taşı yukarı yönlü hareket ettirdiğimizde enerjimizin bir kısmını taşa aktarmış oluruz böylece taş yükseklik kazanır ve potansiyel enerjisi artar yani aktardığımız enerji taşta potansiyel enerji olarak depolanır. Görüldüğü gibi enerji yok olmamakta bilakis, bir türden başka bir türe dönüşmektedir. Bu tür dönüşümleri çevremizde çok sık olarak görebilmekteyiz. Örneğin; elektrik enerjisi ısı veya ışık enerjisine dönüşmekte, güneş enerjisi ısı ya da elektrik enerjisine çevrilmekte veyahut barajlardaki suyun potansiyel enerjisi kinetik enerjiye dönüşerek çarkların dönmesini sağlamaktadır.

Bizler konumuzda bu kadar farklı enerji dönüşümlerini işlemeyeceğiz sadece kinetik enerji – potansiyel enerji dönüşümlerini görmeye çalışacağız.

Enerji Dönüşümleri

Kinetik Enerji – Potansiyel Enerji Dönüşümleri

Yukarıdaki yoldan bisikletle gittiğinizi hayal edin. Bizler A noktasından B noktasına doğru giderken bir hızımız olduğu için kinetik enerjiye sahibiz fakat B noktasından C noktasına çıkarken hızımız giderek azalır ve bu durumda da daha fazla yoruluruz çünkü bu hareketimiz boyunca kinetik enerjimizin bir kısmı çekim potansiyel enerjisine dönüşür ve azalırken, potansiyel enerjimiz ise artmaktadır. 

C noktasına geldiğimizde kinetik enerjimiz sıfır, potansiyel enerjimiz ise en fazla olur. 

C’den D noktasına doğru hareket ettiğimiz zaman çoğumuzun sevdiği durum yaşanır; artık pedal çevirmeye bile gerek kalmaz fakat buna rağmen durmadan hızlanırız. Burada kinetik enerjimiz artarken, potansiyel enerji ise azalmaktadır.

Bu veya buna benzer örneklerde gördüğümüz gibi sürekli bir enerji dönüşümü yaşamaktayız; bazen yukarı yönlü hareket eder ve potansiyel enerjimizi arttırırken, bazen de aşağı doğru koşar kinetik enerjimizi artırmaktayız. Böylesi durumlara kinetik enerji – potansiyel enerji dönüşümleri deriz. Yani hareket enerjisinin potansiyel enerjiye, potansiyel enerjisinin kinetik (hareket) enerjisine dönüşmesine enerji – potansiyel enerji dönüşümleri denir ve sürtünmenin olmadığı bir ortamda potansiyel enerji değişimi, kinetik enerji değişimine eşit olur.

Potansiyel Enerji Değişimi = Kinetik Enerji Değişimi

Örnek: 

Yukarıda verilen durumda bir cisim A noktasında 100 joule‘lik enerji yukarı doğru B, C, D ve E noktalarından geçerek hareket etmektedir

Bu durumda bu cismin A, B, C, D ve E noktalarındaki potansiyel ve kinetik enerjilerini yazınız. (Aralıklar eşit mesafededir ve sürtünme ihmal edilmiştir)

Çözüm:

Cisim A noktasından C noktasına giderken hızı giderek azalır ve C noktasında sıfır olur. C noktasında kinetik enerjinin tamamı potansiyel enerjiye dönüştüğü için buradaki potansiyel enerji 100 j olur. Aralıklar eşit olduğu için enerji değişimi aşağıdaki gibi olabilir.

	Kinetik Enerji	Potansiyel Enerji
A	100 j	0 j
B	50 j	50 j
C	0 j	100 j
D	50 j	50 j
E	100 j	0 j

Sürtünme ile Kinetik Enerji Kaybı

Yukarıda verdiğimiz örnekler hep sürtünmenin olmadığı alanlar için geçerliydi. Peki gerçekte hayatta bu böyle mi? Sürtünmeye maruz kaldığımız durumlarda toplam enerji nasıl değişir?

Sürtünmenin ne olduğunu daha iyi anlamak amacıyla bir etkinlik yapalım.

Önce uzunca bir sokağı, sokak boş iken kaç dakikada geçebileceğimizi hesaplayalım. Ardından aynı yolu bu defa insanların orayı doldurduğu bir gün (mesela bayram arefesinde 😊) geçmeye çalışalım.

Sokak boş iken orayı aşmak hiç zor olmadı ayrıca fazla yorulmadık da. Fakat sokağın insanlarca dolu olduğu bir saatte bunu yaparsak hem sokağı geçme süremiz artar hem de bunun için daha fazla enerji harcarız.

Bunun gibi bir cisim hareket halinde iken hava molekülleri veya bulunduğu zemin ile sürekli sürtünme halindedir. Hareketi engellemeye yönelik olan bu kuvvet, kinetik enerjinin azalmasına neden olur. İşte hareketi engellemeye yönelik olarak cisimlere uygulanan kuvvete sürtünme kuvveti denir ve sürtünme kuvveti her zaman cismin hareket yönüne ters yöndedir.

Sürtünme kuvvetinin bu etkisi nedeniyle örneğin bir topa hızlıca vurduğumuzda top sonsuza kadar hareket etmez, bir noktada durur çünkü zamanla kinetik enerji sürtünme nedeniyle ısı enerjisine dönüşür ve sonuçta enerjinin tamamı ısıya dönüştüğünde top durur. Sürtünmenin olmadığı durumlarda örneğin uzayda cisimlerin hareketini azaltacak bir kuvvet olmadığı için cisim hareketine durmadan devam eder.

Sürtünmenin bu etkisi nedeniyle tarih içinde devr-i daim makineleri meydana getirmek amacıyla yapılmış tüm çalışmalar hüsran ile sonuçlanmıştır.

Vesselam.

Özetle

• Enerji yok olmaz bir türden başka bir türe dönüşür
• Örneğin elektrik enerjisi ısı, ışık, ses gibi enerjilere dönüşebilir
• Kinetik enerji ile potansiyel enerji birbirilerine dönüşebilir 
• Sürtünmesiz ortamda kinetik enerji ile potansiyel enerji birbirilerine tamamen dönüşür
• Sürtünme kuvveti, cisimlerin hareketini azaltacak yönde uygulanır
• Sürtünme kuvveti nedeniyle kinetik enerjinin bir kısmı ısı enerjisine dönüşür
• Sürtünme kuvveti sayesinde cisimler sonsuza kadar hareket etmez, bir süre sonra durur