Koruyucu kuvvet , yerçekimi, sürtünme vb. gibi bir kuvvetin adı değildir. Koruyucu kuvvet, bir kuvvetin doğasını tanımlar. Bir cismin başlangıç konumundan uzaklaşmasından başlangıç konumuna geri dönmesine kadar geçen süre boyunca bir kuvvetin cisim üzerinde yaptığı toplam iş sıfıra eşitse, bu kuvvet koruyucu bir kuvvettir. Bir kuvvet, cisim üzerinde yaptığı işin cismin izlediği yola değil, yalnızca başlangıç ve son konumlarındaki değişime bağlı olması durumunda koruyucu olarak adlandırılır.
Koruyucu kuvvet kavramını anlamak için fizikteki iş kavramını önceden anlamanız daha kolaydır . Koruyucu kuvvet kavramını anlamak için aşağıdaki iki örnek problemi inceleyin.
1
Bir cismin önce dikey olarak yukarı doğru hareket ettiğini, ardından da dikey olarak aşağı doğru hareket ederek başlangıç konumuna geri döndüğünü düşünün.
Bir cisim yukarı doğru hareket ettiğinde, cismin yer değiştirmesinin yönü yukarı doğrudur, oysa yerçekimi kuvvetinin veya ağırlığın (w) yönü aşağı doğrudur. Cismin yer değiştirmesinin yönü, yerçekimi kuvvetinin yönünün tersidir; bu nedenle yerçekimi kuvveti negatif iş yapar.
W 1 = F s = wh (cos 180) = wh (-1) = – wh = – mgh
Bir cisim başlangıç konumuna doğru aşağıya hareket ettiğinde, cismin yer değiştirmesinin yönü aşağı doğrudur ve yerçekimi kuvvetinin yönü de aşağı doğrudur. Cismin yer değiştirmesinin yönü, yerçekimi kuvvetinin yönüyle aynı olduğundan, yerçekimi kuvveti pozitif iş yapar.
W 2 = F s = wh (cos 0) = wh (1) = wh
Bir cismin yukarı ve sonra aşağı doğru hareket ettiği süre boyunca yerçekimi kuvvetinin cisim üzerinde yaptığı toplam iş sıfıra eşittir.
Toplam W = W 1 + W 2 = – wh + wh = 0
Örneğin, bir cismin kütlesi (m) = 1 kg, yerçekimi ivmesi (g) = 10 m/s² ve yüksekliği (h) = 1 metre ise, W₁ = -10 Joule ve W₂ = 10 Joule olur. Toplam iş = -10 Joule + 10 Joule = 0
2
Bir cismin vadiden tepeye, sonra da tekrar vadiye doğru hareket ettiğini düşünün.
Bir cisim eğimli bir düzlemde hareket ettiği sürece, yerçekimi kuvvetinin yalnızca yatay bileşeni (w sin teta) cisim üzerinde iş yapar. Bir cisim eğimli düzlemin vadisinden tepesine doğru hareket ettiğinde, yer değiştirme yönü yerçekimi kuvvetinin yatay bileşeninin (w sin teta) yönünün tersidir; bu nedenle yerçekimi kuvveti negatif iş yapar.
Bir cismin vadiden zirveye doğru hareket ederken yerçekimi kuvveti tarafından yapılan iş.
W 1 = – F s = – (w sin teta)(s) = – ws sin teta
Sin teta = h / s veya h = s sin teta olduğundan, yukarıdaki formül şu şekilde değiştirilir:
W 1 = – wh = – mgh
Bir cisim bir tepeden bir vadiye doğru hareket ettiğinde, yer değiştirme, yerçekimi kuvvetinin yatay bileşeniyle aynı yöndedir; bu nedenle yerçekimi kuvveti pozitif iş yapar.
W 2 = wh = mgh
Toplam çaba
Toplam W = – mgh + mgh = 0
Örneğin, bir cismin kütlesi (m) = 1 kg, yerçekimi ivmesi (g) = 10 m/s² ve yüksekliği (h) = 1 metre ise, W₁ = -10 Joule ve W₂ = 10 Joule olur. Toplam iş = -10 Joule + 10 Joule = 0
Örnek 2'de kullanılan formüle dayanarak, bir cismin eğimli bir düzlem boyunca s mesafesi kadar hareket etmesi durumunda yerçekimi kuvvetinin yaptığı işin, cismin dik yönde h mesafesi kadar hareket etmesi durumunda yerçekimi kuvvetinin yaptığı işe eşit olduğu sonucuna varılabilir.
Dolayısıyla yerçekimi kuvvetinin yaptığı iş, kat edilen yola değil, yalnızca yükseklik değişimine bağlıdır. Başka bir deyişle, yerçekimi kuvvetinin yaptığı iş yalnızca başlangıç ve bitiş konumlarına bağlıdır.
Bu iki örnek, yerçekimi kuvvetinin koruyucu bir kuvvet olduğunu göstermektedir. Bir kuvvet, iki koşulu sağlıyorsa koruyucu bir kuvvettir. Birincisi, bir cismin başlangıç konumundan uzaklaşıp başlangıç konumuna geri dönene kadar geçen süre boyunca kuvvetin cisim üzerinde yaptığı toplam iş sıfıra eşittir (örnek 1 ile karşılaştırın). İkincisi, kuvvetin bir cisim üzerinde yaptığı toplam iş, cismin izlediği yola değil, konumundaki değişime bağlıdır (örnek 2 ile karşılaştırın).
Koruyucu kuvvetler arasında yerçekimi kuvveti, elektrik kuvveti ve manyetik kuvvet bulunur.
3
Coulomb kuvveti ve yerçekimi kuvveti koruyucu kuvvetlerdir.
Sebap
Coulomb kuvveti ve yerçekimi kuvveti, mesafenin karesiyle ters orantılıdır.
Pembahasan
Elektrik kuvveti ve yerçekimi kuvveti, büyüklüklerinin mesafenin karesiyle ters orantılı olmasından değil, her ikisinin de koruyucu kuvvetler olmasının nedeni, bu iki kuvvetin etkisi altında bir yükü taşımak için yapılan işin, yükün izlediği yola veya kat edilen mesafeye değil, yalnızca yükün başlangıç ve bitiş konumlarına bağlı olmasıdır.
Bir kuvvet, bir cisim üzerinde yaptığı işin büyüklüğü ... ise koruyucu bir kuvvettir.
(1) yalnızca başlangıç durumuna ve son duruma bağlıdır
(2) nesnenin potansiyel enerjisindeki değişimle aynıdır.
(3) hareket yörüngesinin şekline bağlı değildir
(4) potansiyel enerjideki değişikliklere bağlı değildir
Pembahasan
Bir kuvvet, bir cisim üzerinde yaptığı işin sabit kalması durumunda koruyucu bir kuvvettir.
(1) yalnızca başlangıç durumuna ve son duruma bağlıdır
(3) hareket yörüngesinin şekline bağlı değildir
