Enerji

Fizikte, enerji doğrudan doğruya gözlemlenemeyen fakat kendi konumundan hesaplanabilen fiziksel sistemin geniş ve korunmuş bir özelliğidir. Enerji, fizikte temel önemdedir. Pek çok biçime girebilmesinden dolayı enerjinin kapsamlı bir tanımını yapmak imkânsızdır ama en yaygın tanım şudur: Enerji, bir sistemin iş yapma kapasitesidir. Fizikte iş, kuvvetin yer değişim yönündeki bileşeninin etkisinin yerdeğiştirmeyle çarpımı olarak tanımlanır ve enerji, iş ile aynı birimle ölçülür.

Fizikte, enerjinin önemi için bir sebep; enerjinin korunma özelliğidir. Enerjinin korunumu yasası şöyle söyler: Enerji ne yaratılabilir ne de yok edilebilir, sadece farklı biçimlere dönüştürülebilir. Enerjinin bir hacim alanı içerisindeki bütün biçimlerinin toplamı sadece o hacme giren ya da o hacimden çıkan enerji miktarı ile değiştirilebilir. Enerjinin önemi için diğer sebep; enerjinin alabileceği farklı biçimlerin sayısıdır. Kinetik enerji (hareket enerjisi) ve potansiyel enerji enerjinin iki temel kategorisidir. Kinetik enerji atılan bir beyzbol topu gibi hareketli bir kütle tarafından taşınan hareketin enerjisidir. Potansiyel enerji kütleçekim alanı, elektrik ya da manyetik alan gibi bir kuvvet alanı içerisindeki objelerin konumları tarafından etkilenen enerjidir. Örneğin; yer çekimine karşı kaldırılan bir nesne içerisinde, eğer düşerse kinetik enerjiye dönüştürülen, kütleçekim potansiyel enerjisi depolar. Işık gibi elektromanyetik dalgaların ışıma enerjisi, katı cisimlerin bozulması ya da esnemesi sonucu elastik enerji, örneğin; bir yakıtın yanmasıyla oluşan kimyasal enerji ve ısı enerjisi, maddeyi oluşturan parçacıkların belirli bir rastgele hareketinin mikroskopik kinetik ve potansiyel enerjileri enerjinin özel biçimlerini içerir.

Ancak, bir sistemdeki toplam enerjinin tamamı işe dönüştürülemez. Bir sistemin enerjisinin işe dönüştürülebilen miktarına kullanılabilir enerji denir. En fazla bozulan ve enerjinin en yüksek entropi biçimi olarak ısı enerjisi özel bir duruma sahiptir. Termodinamiğin ikinci yasası, enerjinin değişik biçimlerine dönüştürülebilen ısı enerjisinin miktarını belirler.

Her cisim durgunken kütleye sahiptir. Buna hareketsiz kütle denir. Eylemsizlik kuvveti, Albert Einstein'ın E=mc2 eşitliği kullanılarak hesaplanabilir.

Enerjinin bir biçimi olan durgun enerji enerjinin başka biçimlerine çevrilebilir. Tüm enerji dönüşümlerindeki gibi, enerjinin toplam miktarı bu durumda da azalmaz ya da artmaz. Bu perspektiften dolayı; evrendeki maddenin miktarı onun toplam enerjisine katkıda bulunur.

Benzer bir biçimde, tüm enerji kütlenin bir eşdeğer miktarını gösterir. Güneşimiz (ya da bir nükleer bomba) nükleer potansiyel enerjiyi enerjinin başka biçimlerine dönüştürür; toplam kütlesi haddi zatından dolayı azalır. Çünkü, Güneş büyükçe bir ışık enerjisi olarak hala içerisinde aynı toplam enerjiyi içerir. (Enerji Güneşin çevresinden uzaklaştığı zaman kütlesi azalır.)

Enerjinin tüm egzotik biçimleri boş alanı da içeren tüm uzaya nüfuz eder. Örneğin; tüm uzay sıfır noktası enerjisi olarak adlandırılan bir enerji yoğunluğunu içerir.

Enerji maddelerin değişmesi için gereklidir. Tüm yaşayan şeyler canlı kalabilmek için kullanılabilir enerjiye ihtiyaç duyar. İnsanlar bu enerjiyi oksijen ile birlikte metabolizmanın ihtiyacını karşılayan yiyeceklerden alır. İnsan uygarlığı enerjinin devamlı uygulanışına çalışma gereksinimi duyar. Örneğin; fosil yakıtlar ekonomide ve politikada hayati bir konudur. Dünya'nın iklimi ve ekosistemi ışık enerjisi ile sürdürülür. Dünya ışık enerjisini büyük oranda Güneşten alır ve iklim ile ekosistem alınan enerji miktarı ile hassas bir biçimde değişir.

Momentum

Klasik mekanikte momentum ya da devinirlik[1] (çoğul momenta; SI birimi kg·m/s ya da eşdeğer olarak, N·s), bir nesnenin kütlesi ve hızının çarpımıdır; (p = mv). Hız gibi, momentum da vektörel bir niceliktir, yani büyüklüğünün yanı sıra bir yöne de sahiptir. Momentum korunumlu bir niceliktir (çizgisel momentumun korunumu); yani bu, eğer kapalı bir sistem herhangi bir dış kuvvetin etkisi altında değilse, o kapalı sistemin toplam momentumunun değişemeyeceği anlamına gelir. Momentum benzer bir konu olan açısal momentum ile karışmasın diye, bazen çizgisel momentum olarak da anılır.

Her ne kadar Newton'un ikinci yasası şeklinde ifade edilse de, momentumun korunumu Özel görelilik teorisi çerçevesi içinde de geçerlidir ve bazı uygun tanımlarla birlikte, (genelleştirilmiş) bir momentum korunum yasası Elektrodinamik, kuantum mekaniği, kuantum alan teorisi ve genel görelilik teorileri içinde de geçerliliğini korur. Göreli mekanikteki momentum, göreli-olmayan momentumun, fazladan Lorentz faktörü ile çarpılmasıyla elde edilir.

Bir nesne herhangi bir gözlem çerçevesinde hareket halinde ise, o çerçeve içinde bir momentuma sahiptir. Momentumun çerçeveye bağımlı olduğunu belirtmek önemlidir. Yani aynı nesne, bir gözlem çerçevesinde belli bir momentum değerine sahip olabilirken, başka bir gözlem çerçevesinde ise başka bir momentum değerine sahip olabilir. Örneğin, hareketli bir nesne, yere göre sabit bir noktaya göre seçilen bir gözlem çerçevesinde momentumu olmasına rağmen, kütle merkezine iliştirilen bir gözlem çerçevesinde ise sıfır momentumu vardır.

Bir nesnenin sahip olduğu momentumun miktarı, iki fiziksel büyüklüğe bağlıdır: Kütlesi ve o gözlem çerçevesindeki hızı. Fizikte, momentum için kullanılan sembol genellikle kalın p harfidir (kalın yazılmasının nedeni vektör olmasındandır.); böylece şöyle ifade edilebilir;

Örnek: kuzeye doğru yere paralel düz bir rotada 1 m/s hızına ve 1 kg kütleye sahip model bir uçağın momentumu yere göre ölçüldüğünde, kuzey yönünde 1 kg•m/s ‘dir. Kokpitin içindeki bir pilot, kokpit gözlem çerçevesine göre uçağın hızını sıfır ölçeceğinden, momentumunu da sıfır ölçer.

Newton’un ikinci yasasına göre, bir parçacığın momentumunun değişim hızı, parçacık üzerine etki eden net kuvvetle doğru orantılıdır ve yönü ise bu net kuvvetin yönündedir. Net kuvvetin, momentumdan türetilmesi aşağıdaki gibidir.

Örnek: yine bir model uçak, 1 kg kütleli, 1 s içinde kuzeye doğru sıfır hızdan 1 m/s hızına ivmelensin. Bu ivmelenme için gerekli kuvvet 1 newtondur. Momentumdaki değişim 1 kg•m/s’dir. Kokpitteki pilot için ise momentumda bir değişim yoktur. İvmelenme sırasında pilotun sırtının koltuğa yapışması, bu itme'ye tepki kuvvetine karşı dengelenmedir.