Hava sürtünmesinin önemsenmediği ortamda bir cisim K noktasından şekildeki gibi v hızıyla düşey yukarı atılıyor. Cisme, K noktasından L noktasına gelinceye kadar etki eden itme I_1, L noktasından geçip tekrar L noktasına gelinceye kadar etki eden itme $I_2$’dir. K ile L arası düşey uzaklık h kadardır. I_1 = I_2 olduğuna göre, cismin maksimum yüksekliği kaç $h$’dir?
Cevap:
Bu soruda, cisim ilk olarak K’den L’ye yükselmekte, ardından L noktasını geçerek maksimum yüksekliğe erişip yeniden L noktasından geçmektedir. Soruda verilen “$I_1 = I_2$” koşulu, cismin iki farklı hareket aralığındaki (K’den L’ye ve L’den tekrar L’ye gelinceye kadarki) toplam momentum değişimlerinin eşit olduğu anlamına gelir. Adım adım çözüm şöyledir:
1. Temel Kavramlar
-
İtme (I): İtme, kuvvetin etki süresiyle çarpımına eşittir ve momentum değişimiyle ifade edilir:
I = \Delta p = m \, \Delta vBurada m kütleyi, \Delta v ise hız değişimini temsil eder.
-
Düzgün İvmeli Hareket Denklemleri (yer çekimi ivmesi g):
- Hız bağıntısı:v^2 = v_0^2 + 2 a \Delta y(Burada a=-g ve \Delta y yukarı doğru seçilmiş koordinat sisteminde yer değişimidir.)
- Hız bağıntısı:
-
İşlemsel Yön Seçimi:
- Yukarı yönü pozitif kabul edersek, yer çekimi ivmesi -g olarak alınır.
- Bu durumda itmenin işareti, momentum değişiminin yönüne göre pozitif veya negatif olabilir; ancak soruda “$I_1 = I_2$” ifadesi “büyüklük” eşitliğini temsil eder.
2. K’den L’ye Hareket (İtme I_1)
- Cismin başlangıçta K noktasındaki hızı: v (yukarı yönlü).
- L noktasına ulaştığında hızı: v_L.
- K ile L arası mesafe: h.
Kinematik denklemle $v_L$’yi bulmak için:
(burada -2gh, yukarı doğru hareket olduğu için cismin hızının azalmasını ifade eder).
K’den L’ye hareket sırasındaki momentum değişimi:
Dolayısıyla,
3. L’den Tekrar L’ye Hareket (İtme I_2)
Bu aşama, cisim L noktasını hızla geçerek en yüksek noktaya çıkması ve tekrar L’ye dönmesini içerir:
-
Yukarı Gidiş (L’den Maksimum Yüksekliğe):
- Başlangıç hızı: v_L (L noktasını geçerken hala yukarı doğru).
- En tepe noktadaki hızı: 0.
-
En Tepe Noktadan L’ye Dönüş (Aşağı İniş):
- Başlangıç hızı: 0 (tepe noktasında).
- L noktasına ulaştığındaki hızı: $v_L$’nin büyüklükçe aynısı ama yönü aşağı (dolayısıyla -v_L).
Dolayısıyla, bu tam tur (L’den L’ye) boyunca hız değişimi şu şekilde olur:
- İlk geçişte hız: +v_L
- Son geçişte hız: -v_L
Toplam momentum değişimi:
Burada büyüklük olarak
ve
(veya büyüklük olarak 2m v_L).
4. İtme Eşitliği Koşulu I_1 = I_2
Soruda I_1 = I_2 denildiğinde, aslında büyüklükler eşit alınır. Yön farkı olsa da büyüklükler açısından:
K hızının yukarı, $v_L$’nin de pozitif ancak daha küçük bir değer olduğu düşünüldüğünde $v_L < v$’dir. Bu yüzden:
Buradan:
5. v_L ile h Arasındaki İlişki
K’den L’ye çıkarken kullandığımız kinematik denklem:
Elde ettiğimiz v_L = \frac{v}{3} ifadesini burada yerine koyarsak:
6. Maksimum Yükseklik (K’den Tepe Noktasına)
Cisim maksimum yüksekliğe (H) ulaştığında hızı sıfır olur. Toplam yükselme mesafesi H, K’den L’ye kadar olan h ve L’den tepe noktasına olan mesafe (H - h) şeklinde iki kısma ayrılabilir. L’den tepeye olan mesafeyi bulalım:
L noktasında hız v_L = \frac{v}{3}. Tepe noktasında hız 0 olduğuna göre:
Böylece:
Bir önceki adımda $h$’ı \frac{4 v^2}{9 g} olarak bulmuştuk. Bu değeri kullanarak $H$’yi hesaplayalım:
Ancak elimizde v^2 = \frac{9 g h}{4} olduğundan:
Yani maksimum yükseklik, K noktasına göre H = \frac{9}{8}\,h değerine eşittir. Başka bir deyişle cismin en yüksek noktaya ulaştığı konum, K noktasının 1.125\,h kadar üstüdür.
7. Sonuç
Sorudaki “$I_1 = I_2$” şartıyla elde ettiğimiz sonuç, cismin maksimum yüksekliğinin K noktasından itibaren \tfrac{9}{8}\,h olduğunu gösterir. Dolayısıyla, aranan cevap:
\boxed{\frac{9}{8}\,h}.
Özet Tablosu
| Aşama | Açıklama |
|---|---|
| 1. İtme Tanımı | I = m\,(v_{\text{son}} - v_{\text{ilk}}) |
| 2. K’den L’ye (Itme I_1) | I_1 = m\,(v_L - v) |
| 3. L’den tekrar L’ye | I_2 = m\,\bigl((-v_L) - v_L\bigr) = -2m v_L |
| 4. I_1 = I_2 Eşitliği | $\left |
| 5. K-L Arası Uzaklık | h = \tfrac{4v^2}{9g}\; (kinematik denklemlerle bulunur) |
| 6. Maksimum Yükseklik | H = \tfrac{9}{8}h \; (K noktasından en yüksek noktaya olan mesafe) |
Böylece sorunun cevabı nettir: Cismin maksimum yüksekliği $H = \tfrac{9}{8},h$’dir. Teşekkürler @Hucurattt
