Fiziksel anlamda iş yapabilmek için bir cisme uygulanan kuvvetin, cismin hareket doğrultusunda bir yer değiştirme sağlaması gerekir. Buna göre, aşağıdaki durumlardan hangisinde fiziksel anlamda iş yapılmaz?
A) Bir öğrencinin sırt çantasıyla merdiven çıkması.
B) Bir işçinin $50\text{ kg}$'lık çuvalı yatay zeminde $10\text{ m}$ taşıması.
C) Bir aracın yatay yolda hızlanması.
D) Bir yayı sıkıştırmak için kuvvet uygulanması.
E) Bir topun yerden yukarı doğru fırlatılması.
Sevgili öğrenciler, fiziksel anlamda iş kavramını anlamak, kuvvet ve hareket arasındaki ilişkiyi doğru yorumlamamızı sağlar. Fizikte iş yapılması için üç temel koşulun aynı anda gerçekleşmesi gerekir:
- Bir cisme bir kuvvet uygulanmalıdır.
- Cisim, uygulanan kuvvet doğrultusunda veya kuvvetin bir bileşeni doğrultusunda yer değiştirmelidir.
- Kuvvet ve yer değiştirme vektörleri arasında belirli bir açı olmalıdır; eğer bu açı $90^\circ$ ise (yani kuvvet yer değiştirmeye dikse), fiziksel anlamda iş yapılmaz. Çünkü işin matematiksel tanımı $W = F \cdot d \cdot \cos\theta$ şeklindedir. Burada $W$ işi, $F$ kuvveti, $d$ yer değiştirmeyi ve $\theta$ kuvvet ile yer değiştirme arasındaki açıyı temsil eder. Eğer $\theta = 90^\circ$ ise, $\cos90^\circ = 0$ olacağından, yapılan iş $W = 0$ olur.
Şimdi seçenekleri bu bilgiler ışığında inceleyelim:
- A) Bir öğrencinin sırt çantasıyla merdiven çıkması: Öğrenci, çantanın ağırlığına karşı yukarı doğru bir kuvvet uygular ve çanta da yukarı doğru yer değiştirir. Kuvvet ve yer değiştirme aynı yönde olduğu için ($\theta = 0^\circ$), fiziksel anlamda iş yapılır.
- B) Bir işçinin $50\text{ kg}$'lık çuvalı yatay zeminde $10\text{ m}$ taşıması: İşçi, çuvalı yerden yukarıda tutmak için yerçekimine zıt yönde (yani yukarı doğru) bir kuvvet uygular. Ancak çuval yatay zeminde $10\text{ m}$ yer değiştirir. Bu durumda, işçinin çuvalı yukarıda tutmak için uyguladığı kuvvet (yukarı yönlü) ile çuvalın yer değiştirmesi (yatay yönlü) birbirine diktir ($\theta = 90^\circ$). Dolayısıyla, bu kuvvetin yaptığı iş fiziksel anlamda sıfırdır. (İşçi çuvalı yatayda hızlandırmak veya sürtünmeye karşı itmek için bir kuvvet uyguluyorsa o kuvvet iş yapar, ancak soruda kastedilen genellikle çuvalı yukarıda tutan kuvvettir.)
- C) Bir aracın yatay yolda hızlanması: Aracın motoru, aracı ileri doğru iten bir kuvvet uygular ve araç da ileri doğru yer değiştirir. Kuvvet ve yer değiştirme aynı yönde olduğu için ($\theta = 0^\circ$), fiziksel anlamda iş yapılır ve aracın kinetik enerjisi artar.
- D) Bir yayı sıkıştırmak için kuvvet uygulanması: Yayı sıkıştırmak için uygulanan kuvvet, yayın sıkışma yönündedir ve yay da bu yönde yer değiştirir. Kuvvet ve yer değiştirme aynı yönde olduğu için ($\theta = 0^\circ$), fiziksel anlamda iş yapılır ve yayda potansiyel enerji depolanır.
- E) Bir topun yerden yukarı doğru fırlatılması: Topa fırlatma anında yukarı doğru bir kuvvet uygulanır ve top da yukarı doğru yer değiştirir. Kuvvet ve yer değiştirme aynı yönde olduğu için ($\theta = 0^\circ$), fiziksel anlamda iş yapılır ve topun potansiyel ile kinetik enerjisi artar.
Bu analizlere göre, işçinin çuvalı yatayda taşıması durumunda, çuvalı yukarıda tutmak için uyguladığı kuvvet ile yatay yer değiştirme arasında $90^\circ$ açı olduğu için fiziksel anlamda iş yapılmaz.
Cevap B seçeneğidir.
