Kinetik Enerji Nedir?

Kinetik enerji, hareket eden bir cismin sahip olduğu enerjidir. Bir cisim durur haldeyse, yani cismin hızı 0 ise, cismin kinetik enerjisi 0 olacaktır. Cisim hareket etmeye başladığında kinetik enerji kazanmaya başlar. Bir cismin hareket ettiğini gördüğümüzde aslında çok temel bir gerçeğe tanıklık ederiz. Hareket eden her cisim enerji taşır. Koşan bir insanın durması için çaba harcaması buna bir örnektir. Giden bir arabanın fren yapmadan duramaması ya da düşen bir taşın yere çarptığında güçlü bir etki yaratmasını da düşünebiliriz. Bunların tamamı kinetik enerji ile ilgilidir.

Burada önemli bir noktayı en baştan vurgulamak gerekir. Kinetik enerji yalnızca “Hareket var mı yok mu?” sorusuyla ilgili değildir. Aynı zamanda kinetik enerji, cismin ne kadar hızlı hareket ettiğiyle de doğrudan ilintilidir. Dolayısıyla cismin hızı iki katına çıktığında kinetik enerjisi iki katına değil, dört katına çıkar. Bu yazımızda kinetik enerji nedir, kinetik enerjinin formülü nedir, enerji dönüşümleri nelerdir; gibi konulara değineceğiz.

Kinetik Enerji Nedir?

Düz bir doğrultuda hareket eden, yani öteleme yapan bir cismin kinetik enerjisinin ifadesi için klasik mekanikte şu formülü kullanırız:

Ek=1/2mv2E_k=1/2 mv^2Ek​=1/2mv2

Formüldeki;

• m: Cismin kütlesi (kg),
• v: Hızı (m/s),
• EkE_kEk​:Kinetik enerjidir.

Formül bize bir cismin kinetik enerjinin kütlesi ve hızına bağlı olduğunu söyler. Peki bu, bizim için neden önemlidir? Formüle göre aynı hızda iki araç düşünün. Bunlardan daha ağır olanı, diğerine göre daha fazla kinetik enerji taşır.

Bu formüldeki en kritik unsur v2v2v2 terimidir. Örneğin 20 m/s hızla giden bir aracın kinetik enerjisi, 10 m/s hızla gidene göre 4 kat fazladır. Bu, “biraz daha hızlı” görünse bile enerjinin çok hızlı büyüdüğünü ifade eder. Çünkü çarpışma şiddeti ve durma için gereken iş de buna bağlıdır.

Joule Nedir?

Joule, kinetik enerjinin SI birimidir. J şeklinde kısaltılır. Joule, bir Newton büyüklüğündeki kuvvetin bir cismi kuvvet doğrultusunda bir metre boyunca hareket ettirmesiyle yapılan iş olarak tanımlanır. Fizikte kullanılan temel bir birimdir.

Formüle geri dönersek m kilogram, v metre/saniye olduğuna göre mv2mv2mv2 birimi kg (m²/s²m²/s²m²/s²) olur. Bu ise Joule’e eşdeğerdir. Böylece kinetik enerji, hareketin ne kadar iş yapabilme potansiyeli taşıdığını sayısal olarak ölçer.

Günlük hayatta enerjiyi Joule dışında kalori, kilokalori veya kilovat-saat gibi birimlerle duymak da mümkündür. Fakat fizik derslerinde kinetik enerji için standart birim Joule’dür. Bu ortak birim, enerjinin farklı türleri arasında dönüşüm yapmayı da kolaylaştırma potansiyeline sahiptir.

Kinetik Enerji Nasıl Değişir?

Kinetik enerji durup dururken artmaz. Kinetik enerjinin değişebilmesi için cisme kuvvet uygulanarak iş yapılması gerekir. İş-enerji teoremine göre bunu aşağıdaki denklem ile açıklayabiliriz:

• Net iş = Kinetik enerji değişimi

Yani bir cismi hızlandırabilmek için iş yapılması gerekmekte olup yapılan iş, cismin kinetik enerjisini arttırır. Cismi yavaşlattığımızda ise kinetik enerjiyi azaltırız. Örneğin fren yaptığımızda kinetik enerji azalır.

Kinetik Enerji ve Enerjinin Korunumu

Enerjinin korunumu yasasına göre enerji yoktan var edilemez. Enerji yalnızca tür değiştirir. Kinetik enerjiye baktığımızda o da bu dönüşümün merkezinde yer alır. Şimdi, anlattıklarımızı biraz görselleştirelim. Yüksekte duran bir topu hayal edin. Bu topun durur halde iken potansiyel enerjisi çok daha fazladır. Top düşmeye başladığında potansiyel enerji, kinetik enerjiye dönüşmeye başlar.

Bir cismin hareket ve konumundan kaynaklanan ve “mekanik enerji” şeklinde adlandırılan enerji türü, gündelik hayatta her zaman korunmayabilir. Sürtünme ve hava direnci başta olmak üzere birçok etki, mekanik enerjinin başka bir enerji türüne dönüşmesine neden olur. Fakat dikkat ederseniz enerji her zaman korunur. Sadece başka bir enerjiye dönüşür, yani kaybolmaz.

Eğer bir ortamda sürtünmeyi ihmal edebiliyorsak potansiyel enerjinin kinetik enerjiye dönüşümü üzerinden hızları ve yükseklikleri bulabiliriz.

Dönme Kinetik Enerjisi

Şu ana kadar bahsettiğimiz kinetik enerji formülü ötelemeyi kapsıyordu. Yani cismin kütle merkezi bir doğrultuda hareket ediyordur. Ama birçok gerçek sistemin sadece aynı doğrultuda hareket etmediğini biliyoruz. Bu durumda dönme kinetik enerjisinin devreye girmesi gerekir.

Dönen bir cisimde cismin farklı noktaları farklı hızlara sahip olduğundan dönme enerjisi, cismin kütlesinin dönme eksenine nasıl dağıldığına doğrudan bağlıdır. Kafanız karışmış olabilir, bu nedenle bir örnek üzerinden gidelim.

Yuvarlanan bir cismi düşünün! Çünkü dönen cisim, öteleme ve dönme enerjisini bir arada taşır. Eğik düzlemde yuvarlanan bir cisim ile kayarak inen aynı kütledeki cismin hızı aynı olmayabilir. Dönerken enerjinin bir kısmı dönme eylemine de paylaştırılmış olur. Dolayısıyla kinetik enerji, cismin hareketinin türüne göre farklı biçimlerde ortaya çıkabilir.

Kinetik Enerji Neden Göreli Gibi Görünür?

Kinetik enerji hıza bağlıdır. Dolayısıyla hızın nasıl ölçüldüğü son derece önemlidir. Hız, seçilen referans çerçevesine göre değişiklik gösterebilmektedir. Trende oturan bir yolcu, temelde trene göre duruyor gibi görünür. Bu nedenle tren içindeki gözlemciye göre bu kişinin kinetik enerjisi 0 olacaktır. Dışarıdaki bir gözlemciye göre ise trenin içindeki yolcu, trenle birlikte hareket eder göründüğünden yolcunun kinetik enerjisi bulunmaktadır.

“Kinetik enerji neden gözlemciye göre değişiyor?” sorusu aklınıza gelebilir. Kinetik enerjinin mutlak bir büyüklük olmadığını, referans çerçevesine bağlı olduğunu bilirseniz, aklınıza gelen sorunun çözümünü kolaylıkla bulabilirsiniz.

Fakat belirtmemiz gerekir ki burada bahsedilen kinetik enerjinin göreliliği ile Einstein’in özel göreliliği birbirinden farklı konulardır. Newton mekaniğinde bile hız görelidir. Kinetik enerji hıza bağlı olduğu için kinetik enerji de görelidir.

Hız Arttığında Enerji Nasıl Artış Gösterir?

Kinetik enerji ile hız arasındaki ilişki parabolik olup aralarında doğrusal bir ilişki bulunmaz. Hız arttığında enerji çok daha fazla büyür. Hızın 2 katı, enerjinin 4 katına eşittir. Enerjinin kütle ile ilişkisi, hız gibi parabolik değil, doğrusaldır. Aynı hızda iki kat kütle, iki kat kinetik enerji anlamına gelir. Kinetik enerjinin grafiği, hız sıfırdayken başlayıp hızın artması ile birlikte yukarı doğru bir ivmelenme gösterir.

Sonuç

Kinetik enerji, hareket eden cisimlerin sahip olduğu temel enerji türlerinden biridir ve klasik mekanikte cismin kütlesine ve hızına bağlı olarak Ek=1/2mv2E_k=1/2 mv2Ek​=1/2mv2 bağıntısıyla ifade edilir. Kinetik enerji hızın karesiyle artar. Dolayısıyla kinetik enerji günlük yaşamda çok önemli bir yere sahiptir. Küçük hız artışları çarpışma etkisi ya da durma mesafesini büyütebilir.

Kinetik enerji aynı zamanda enerjinin korunumu yasasının merkezinde yer alan bir enerji türüdür. Bir cismin potansiyel enerjisi düşme sırasında kinetik enerjiye dönüşebilir veya sürtünme gibi etkilerle kinetik enerji ısıya aktarılabilir. Enerji kaybolmaz, enerji sadece farklı biçimlere dönüşür.