gamedschool

Dönerek Öteleme Hareketi ve Açısal Momentum konu anlatımı

12. sınıf Fizik · Çembersel Hareket

Lise · 12. sınıf · Fizik · Ünite: Çembersel Hareket · ~4 dk okuma

Öteleme ve dönme hareketi; dönerek öteleme (kaymadan yuvarlanma, v = ω · r); eylemsizlik momenti ve kütle dağılımıyla ilişkisi (noktasal kütle, halka, disk, küre); dönme kinetik enerjisi ½ I ω² ve dönerek öteleme yapan cismin toplam kinetik enerjisi; eğik düzlemden yuvarlanan cisimlerin yarışı; açısal momentum L = I · ω = m · v · r, vektörel yönü (sağ el kuralı); tork ve açısal ivme ilişkisi; açısal momentumun korunumu ve örnekleri (buz patencisi, dalgıç, nötron yıldızları, Kepler’in alanlar yasası).

Öteleme, dönme ve eylemsizlik momenti

Öteleme: Cismin bütün noktalarının aynı yönde ve aynı miktarda yer değiştirmesi

Dönme: Cismin noktalarının sabit bir eksen etrafında çembersel yörüngeler çizmesi

Dönerek öteleme: İkisinin birlikte gerçekleşmesi (yuvarlanan teker, bilardo topu)

  • Kaymadan yuvarlanmada: Ağırlık merkezinin hızı v = ω · r

Eylemsizlik momenti (I): Cismin dönme hareketindeki değişime gösterdiği direnç; kütleye ve kütlenin eksene göre dağılımına bağlıdır.

  • Noktasal kütle için I = m · r²; kütle eksenden uzaklaştıkça I büyür.
  • Aynı kütle ve yarıçapta halka > disk > küre (halkada bütün kütle kenardadır)

Dönme kinetik enerjisi: E = ½ · I · ω²

Dönerek öteleyen cismin toplam kinetik enerjisi: E = ½ m v² + ½ I ω²

Eğik düzlemde yuvarlanma yarışı

Aynı yükseklikten kaymadan yuvarlanan halka, disk ve küre: Potansiyel enerji hem öteleme hem dönme kinetik enerjisine dönüşür.

  • mgh = ½ m v² + ½ I ω²
  • Eylemsizlik momenti küçük olan cisim enerjinin daha büyük kısmını ötelemeye ayırır → daha hızlı iner.
  • Sıralama: Önce küre (2/5), sonra disk (1/2), en son halka (1) varır — kütle ve yarıçaptan bağımsız!
CisimIAlt uçtaki hız
Kayan blok (sürtünmesiz)—√(2gh)
Dolu küre(2/5)MR²√(10gh/7)
Dolu disk(1/2)MR²√(4gh/3)
İnce halkaMR²√(gh)

Örnek: h = 1,8 m’den yuvarlanan disk → v = √(4 · 10 · 1,8 / 3) = √24 ≈ 4,9 m/s; aynı yükseklikten sürtünmesiz kayan blok √36 = 6 m/s

Açısal momentum ve korunumu

Açısal momentum: L = I · ω · noktasal kütle için L = m · v · r

  • Vektörel büyüklüktür; yönü sağ el kuralıyla bulunur (parmaklar dönme yönünde kıvrılınca başparmak L’yi gösterir).
  • Açısal ivme: α = Δω / Δt · Tork: τ = I · α = ΔL / Δt → Tork, açısal momentumu değiştirir.

Açısal momentumun korunumu: Dış tork sıfır ise L = I · ω sabittir → I azalırsa ω artar.

  • Buz patencisi kollarını göğsüne çekince I azalır, daha hızlı döner; kollarını açınca yavaşlar.
  • I₁ = 4 kg·m², ω₁ = 2 rad/s iken kollarını kapatıp I₂ = 1 kg·m² yapan patenci → ω₂ = 8 rad/s
  • Atlama dalgıcı havada büzülerek takla sayısını artırır.
  • Çöken yıldız çekirdeği küçülünce çok hızlı dönen nötron yıldızına (pulsar) dönüşür.
  • Kepler’in 2. yasası: Gezegen Güneş’e yaklaşınca r azalır, v artar (L = m v r sabit).
  • Topaç ve bisiklet tekerleği dönerken eksenini korur → dengeli durur.

Kavramlar

eylemsizlik momenti
dönmeye karşı direnç
açısal momentum
dönme hareketinin momentumu
tork
döndürme etkisi
açısal ivme
açısal hızın değişim hızı
yuvarlanma
kaymadan dönerek ilerleme
Önemli noktalar
  • Kaymadan yuvarlanmada v = ωr
  • Eylemsizlik momenti kütleye ve kütle dağılımına bağlı; noktasal I = mr²
  • Dönme kinetik enerjisi ½Iω²; toplam ½mv² + ½Iω²
  • Yuvarlanma yarışında küre > disk > halka
  • L = Iω = mvr; tork açısal momentumu değiştirir
  • Dış tork yoksa L korunur: I azalınca ω artar

Örnek soru ve çözümü

Soru

Kartlara göre bir buz patencisi kollarını açıkken 2 rad/s ile dönüyor ve eylemsizlik momenti 4 kg·m²’dir. Kollarını kapatınca I = 1 kg·m² oluyor. Yeni açısal hızı nedir? Dönme kinetik enerjisi nasıl değişir?

Çözüm

Dış tork olmadığından L korunur: 4 · 2 = 1 · ω₂ → ω₂ = 8 rad/s. Kinetik enerji ½ · 4 · 4 = 8 J’den ½ · 1 · 64 = 32 J’ye çıkar; aradaki enerjiyi patencinin kollarını içeri çekerken yaptığı iş sağlar.

Çözümlü örnekler

1. 2 kg’lık noktasal kütle dönme eksenine 3 m uzaklıkta ise eylemsizlik momenti nedir? KolayÇözüm

I = m r² = 2 · 9 = 18 kg·m².

2. Eylemsizlik momenti 0,5 kg·m² olan teker 4 rad/s ile dönüyor. Dönme kinetik enerjisi ve açısal momentumu nedir? OrtaÇözüm

E = ½ · 0,5 · 16 = 4 J; L = 0,5 · 4 = 2 kg·m²/s.

3. Aynı kütle ve yarıçaplı halka ile dolu disk aynı eğik düzlemden yuvarlanıyor. Hangisi önce varır, neden? ZorÇözüm

Disk önce varır. Diskin eylemsizlik momenti (½MR²) halkanınkinden (MR²) küçük olduğu için potansiyel enerjinin daha büyük kısmı öteleme kinetik enerjisine dönüşür ve ağırlık merkezi daha hızlı ilerler.

Sık yapılan hatalar

  • Eylemsizlik momentinin yalnızca kütleye bağlı olduğunu sanmak (dağılım da önemli).
  • Ağır olan cismin eğik düzlemden daha hızlı yuvarlandığını düşünmek.
  • Açısal momentum korunurken kinetik enerjinin de korunduğunu sanmak.

Biliyor muydun?

Bazı pulsarlar saniyede yüzlerce kez döner; çekirdeği birkaç on kilometreye büzülen bir yıldızın dönme hızı, açısal momentum korunduğu için olağanüstü artar!

Kendini dene

1. Kaymadan yuvarlanan tekerde ağırlık merkezinin hızı nedir?
  1. v = ω · r
  2. v = ω² r
  3. v = ω / r
  4. v = r / ω
Cevabı göster

Doğru cevap: A) v = ω · r · Yuvarlanma.

2. Noktasal kütlenin eylemsizlik momenti hangisidir?
  1. m / r²
  2. m · r²
  3. ½ m r
  4. m · r
Cevabı göster

Doğru cevap: B) m · r² · I = mr².

3. Tabloya göre aynı kütle ve yarıçapta eylemsizlik momenti en büyük olan hangisidir?
  1. Dolu küre
  2. Dolu disk
  3. Hepsi eşit
  4. İnce halka
Cevabı göster

Doğru cevap: D) İnce halka · Tablo.

4. Dönme kinetik enerjisi formülü hangisidir?
  1. I ω
  2. ½ m v
  3. I α
  4. ½ I ω²
Cevabı göster

Doğru cevap: D) ½ I ω² · Enerji.

5. Eğik düzlemden yuvarlanma yarışında ilk hangisi varır?
  1. İnce halka
  2. Dolu küre
  3. Dolu disk
  4. Hepsi aynı anda
Cevabı göster

Doğru cevap: B) Dolu küre · I küçük.

Konunun tüm sorularını ve testlerini gamedschool’da çözebilir, yanlışlarını tekrar edebilirsin.

12. Sınıf Fizik konuları
Konuyu oyunla pekiştir

gamedschool’da bu konunun testlerini çöz, XP ve altın kazan, Pixel Dünyası’nda arkadaşlarınla buluş. Öğrenciler için ücretsiz.

Ücretsiz kayıt ol