PHY1001 · 5. hafta · Motion in two Dimension: the projectile motion, uniform circular motion, relative velocity and acceleration.

Eğik atış, düzgün dairesel hareket ve bağıl hız

Yatay ve eğik atış, menzil ve tepe yüksekliği, merkezcil ve teğetsel ivme, nehir ve uçak tipi bağıl hız soruları. Vizede 4-5 soru.

projectile motionhorizontal rangemaximum heighttrajectoryuniform circular motioncentripetal accelerationperiodtangential accelerationradial accelerationrelative velocityreference frame

Bu hafta iki boyutlu kinematiğin üç klasik uygulaması var: eğik atış (projectile motion), düzgün dairesel hareket (uniform circular motion) ve bağıl hız (relative velocity). Üçü de vizede bedava puanlık soru tipleri. Hepsinin temeli geçen haftanın kuralı: xx ve yy bağımsız, ortak olan tek şey zaman.

Altın kurallar:

  1. Eğik atışta yatay ivme sıfır, dikey ivme −g-g. Yatay hız uçuş boyunca sabit.
  2. Menzil formülü R=v02sin⁡2θ/gR = v_0^2\sin2\theta/g sadece iniş seviyesi atış seviyesine eşitse geçerli.
  3. Tepe noktasında sadece vy=0v_y = 0. Sürat v0cos⁡θv_0\cos\theta, ivme hâlâ gg.
  4. Sabit süratle dönen cismin ivmesi var, merkeze doğru ve v2/rv^2/r.
  5. Bağıl hızda alt indisleri zincir gibi bağla: v⃗PA=v⃗PB+v⃗BA\vec v_{PA} = \vec v_{PB} + \vec v_{BA}.

Eğik atış

Hava direnci yok, gg sabit. Atış noktası orijin, yukarı ++. Başlangıç hızı v0v_0, yataydan θ\theta açısıyla:

v0x=v0cos⁡θv0y=v0sin⁡θv_{0x} = v_0\cos\theta \qquad v_{0y} = v_0\sin\theta

x=v0x ty=v0y t−12gt2vx=v0xvy=v0y−gtx = v_{0x}\,t \qquad y = v_{0y}\,t - \tfrac12gt^2 \qquad v_x = v_{0x} \qquad v_y = v_{0y} - gt

Yörünge (trajectory) bir parabol. Herhangi bir anda sürat vx2+vy2\sqrt{v_x^2 + v_y^2}, yön tan⁡−1(vy/vx)\tan^{-1}(v_y/v_x).

Aynı seviyeye inen atış için hazır sonuçlar

ttepe=v0sin⁡θgH=(v0sin⁡θ)22gTuc¸us¸=2v0sin⁡θgR=v02sin⁡2θgt_{\text{tepe}} = \frac{v_0\sin\theta}{g} \qquad H = \frac{(v_0\sin\theta)^2}{2g} \qquad T_{\text{uçuş}} = \frac{2v_0\sin\theta}{g} \qquad R = \frac{v_0^2\sin2\theta}{g}

RR en büyük değerini θ=45∘\theta = 45^\circ‘de alır. Tümler açılar (30∘30^\circ ve 60∘60^\circ gibi) aynı menzili verir; yüksek açı daha uzun uçar.

Örnek 1. Futbol topu düz zeminden 22.0 m/s ile, yataydan 40.0∘40.0^\circ yukarı vuruluyor.

v0x = 22.0 cos 40.0° = 16.9 m/s       v0y = 22.0 sin 40.0° = 14.1 m/s
t_tepe = 14.1 / 9.80 = 1.44 s
H      = 14.1² / (2 × 9.80) = 10.2 m
T      = 2 × 1.44 = 2.89 s
R      = 22.0² sin 80.0° / 9.80 = 48.6 m
kontrol: R = v0x × T = 16.9 × 2.89 = 48.6 m

Yatay atış (horizontal launch)

Cisim hh yükseklikten yatay v0v_0 ile çıkıyor: v0y=0v_{0y} = 0. Düşme süresi yatay hızdan bağımsız, sanki bırakılmış gibi:

t=2hgx=v0 tt = \sqrt{\frac{2h}{g}} \qquad x = v_0\,t

Örnek 2. 12.0 m yükseklikten yatay 8.0 m/s ile atılan taş.

t  = √(2 × 12.0 / 9.80) = 1.56 s
x  = 8.0 × 1.56 = 12.5 m
vy = 9.80 × 1.56 = 15.3 m/s (aşağı),  vx = 8.0 m/s
v  = √(8.0² + 15.3²) = 17.3 m/s,  yatayın tan⁻¹(15.3/8.0) = 62.4° altında

TUZAK · menzil formülünü yanlış yerde kullanmak. Uçurumdan, binadan ya da masadan yapılan atışta iniş noktası atış noktasından aşağıda. R=v02sin⁡2θ/gR = v_0^2\sin2\theta/g burada yanlış sonuç verir ve şıklarda o yanlış sonuç mutlaka vardır. Bu durumda y=−hy = -h yazıp ikinci derece denklemi çöz, pozitif kökü al, sonra x=v0xtx = v_{0x}t.

Düzgün dairesel hareket

Cisim rr yarıçaplı çemberde sabit süratle dönüyor. Hız teğet doğrultuda ve yönü sürekli değişiyor, bu yüzden ivme var. Bu ivme her an çemberin merkezine doğru: merkezcil ivme (centripetal acceleration).

ac=v2rv=2πrTac=4π2rT2a_c = \frac{v^2}{r} \qquad v = \frac{2\pi r}{T} \qquad a_c = \frac{4\pi^2 r}{T^2}

TT periyot (bir tur süresi, s), f=1/Tf = 1/T frekans (tur/s, Hz).

Örnek 3. Yarıçapı 12 m olan dönme dolap bir turu 40 s’de atıyor. Kabindeki yolcunun sürati ve ivmesi?

v   = 2π(12) / 40 = 1.88 m/s
a_c = v² / r = 1.88² / 12 = 0.296 m/s²   (merkeze doğru)
kontrol: 4π²(12) / 40² = 0.296 m/s²

Teğetsel ve radyal ivme

Sürat de değişiyorsa ivmenin iki dik bileşeni olur:

ar=v2r  (merkeze dog˘ru)at=d∣v⃗∣dt  (hıza paralel)a=ar2+at2a_r = \frac{v^2}{r}\ \ (\text{merkeze doğru}) \qquad a_t = \frac{d|\vec v|}{dt}\ \ (\text{hıza paralel}) \qquad a = \sqrt{a_r^2 + a_t^2}

Hızlanırken ata_t hızla aynı yönde, yavaşlarken zıt yönde. Düzgün dairesel harekette at=0a_t = 0.

Bağıl hız (relative velocity)

Hız, ölçen gözlemciye (reference frame) göre değişir. PP parçacığının AA gözlemcisine göre hızı, BB‘ye göre hızı ile BB‘nin AA‘ya göre hızının vektör toplamı:

v⃗PA=v⃗PB+v⃗BAv⃗AB=−v⃗BA\vec v_{PA} = \vec v_{PB} + \vec v_{BA} \qquad \vec v_{AB} = -\vec v_{BA}

İç indisler (B) “sadeleşir” gibi düşün. Sabit hızla hareket eden gözlemciler aynı ivmeyi ölçer.

Örnek 4. 60 m genişliğindeki nehir 2.0 m/s akıyor. Tekne suya göre 4.0 m/s.

Durum A, tekne burnunu tam karşıya tutuyor:

karşıya geçiş süresi: sadece dik bileşen  →  t = 60 / 4.0 = 15 s
sürüklenme (downstream): 2.0 × 15 = 30 m
yere göre sürat: √(4.0² + 2.0²) = 4.47 m/s

Durum B, tekne tam karşıdaki noktaya varmak istiyor:

burun akıntıya karşı φ açısıyla:  4.0 sin φ = 2.0   →  φ = 30°
yere göre hız (dik): √(4.0² - 2.0²) = 3.46 m/s
t = 60 / 3.46 = 17.3 s   (A'dan daha uzun)

TUZAK · nehirde hangisi hipotenüs? Durum A’da teknenin suya göre hızı bir dik kenar, yere göre hız hipotenüs. Durum B’de teknenin suya göre hızı hipotenüs, yere göre hız dik kenar. Önce vektör üçgenini çiz, hangi vektörün tam karşıyı gösterdiğine bak.

Sık yapılan hatalar

Yanlış düşünceDoğrusu
Tepede hız sıfırsadece vy=0v_y = 0; sürat v0cos⁡θv_0\cos\theta
Tepede ivme sıfırivme her yerde gg, aşağı
Binadan atışta R=v02sin⁡2θ/gR = v_0^2\sin2\theta/gy=−hy = -h ile süre bul, x=v0xtx = v_{0x}t
sin⁡2θ\sin2\theta yerine sin⁡θ\sin\thetamenzil formülünde 2θ2\theta
H=v02sin⁡θ/2gH = v_0^2\sin\theta/2gsinüsün karesi: (v0sin⁡θ)2/2g(v_0\sin\theta)^2/2g
Yatay hız düşme süresini kısaltırdüşme süresi sadece hh ve gg‘ye bağlı
Sabit sürat → ivme yokac=v2/ra_c = v^2/r, merkeze doğru
ac=v/ra_c = v/rv2/rv^2/r
Frekansı periyot sanmakT=1/fT = 1/f; 2 tur/s ise T=0.50T = 0.50 s
Nehirde her zaman t=d/vteknet = d/v_{\text{tekne}}sadece burun tam karşıya bakıyorsa
Rüzgârlı uçakta hızları düz toplamakdikse Pisagor ile birleştir

Kendini test et

Sınavdaki gibi İngilizce sorular. Önce kâğıt kalemle çöz, sonra cevabı aç.

Soru 1kolay

A ball rolls off a horizontal table 1.25 m high with a speed of 3.0 m/s. How far from the foot of the table does it land?

  1. 0.505 m
  2. 0.765 m
  3. 1.07 m
  4. 1.52 m
  5. 3.03 m
Cevabı göster
D) 1.52 m

Dikey: v0y=0v_{0y} = 0, 1.25=12(9.80)t2⇒t=2(1.25)/9.80=0.5051.25 = \tfrac12(9.80)t^2 \Rightarrow t = \sqrt{2(1.25)/9.80} = 0.505 s. Yatay: x=3.0×0.505=1.52x = 3.0 \times 0.505 = 1.52 m. (a) süre, mesafe değil. (b) karekök alınmamış. (c) 2 unutulmuş (h/g\sqrt{h/g}). (e) süre iki katı alınmış.

Soru 2kolay

A ball is kicked from level ground at 25 m/s, 35° above the horizontal. What is its horizontal range (it lands at launch height)?

  1. 36.6 m
  2. 59.9 m
  3. 63.8 m
  4. 49.4 m
  5. 30.0 m
Cevabı göster
B) 59.9 m

R=v02sin⁡2θg=625sin⁡70∘9.80=59.9R = \dfrac{v_0^2\sin2\theta}{g} = \dfrac{625\sin70^\circ}{9.80} = 59.9 m. (a) sin⁡θ\sin\theta kullanılmış. (c) sinüs unutulmuş. (d) hesap makinesi RAD modunda. (e) tepe noktasına kadarki yatay mesafe (R/2R/2).

Soru 3orta

For the same kick (25 m/s at 35° above the horizontal), what maximum height does the ball reach?

  1. 18.3 m
  2. 21.4 m
  3. 10.5 m
  4. 5.24 m
  5. 31.9 m
Cevabı göster
C) 10.5 m

H=(v0sin⁡θ)22g=(25sin⁡35∘)219.6=14.3219.6=10.5H = \dfrac{(v_0\sin\theta)^2}{2g} = \dfrac{(25\sin35^\circ)^2}{19.6} = \dfrac{14.3^2}{19.6} = 10.5 m. (a) sinüsün karesi alınmamış. (b) cos⁡\cos kullanılmış (yatay bileşen). (d) 4g4g'ye bölünmüş. (e) top dik atılmış gibi v02/2gv_0^2/2g.

Soru 4zor

A stone is thrown at 20.0 m/s, 30.0° above the horizontal, from the top of a cliff 15.0 m high. How far from the base of the cliff does it land?

  1. 35.3 m
  2. 30.3 m
  3. 42.5 m
  4. 70.7 m
  5. 52.8 m
Cevabı göster
E) 52.8 m

v0x=17.3v_{0x} = 17.3 m/s, v0y=10.0v_{0y} = 10.0 m/s. Yukarı +, yer y=−15.0y = -15.0 m: −15.0=10.0t−4.90t2⇒t=10.0+100+2949.80=3.05-15.0 = 10.0t - 4.90t^2 \Rightarrow t = \dfrac{10.0 + \sqrt{100 + 294}}{9.80} = 3.05 s. x=17.3×3.05=52.8x = 17.3 \times 3.05 = 52.8 m. (a) düz zemin menzil formülü, binadan atışta geçersiz. (b) yatay atış gibi v0y=0v_{0y} = 0 alınmış. (c) sin⁡\sin ve cos⁡\cos yer değiştirmiş.

Soru 5kolay

A projectile is launched at 20 m/s, 30° above the horizontal. What is its speed at the highest point of its path?

  1. 0
  2. 10 m/s
  3. 17.3 m/s
  4. 20 m/s
  5. 9.80 m/s
Cevabı göster
C) 17.3 m/s

Tepede sadece vy=0v_y = 0. Yatay bileşen hiç değişmez: vx=20cos⁡30∘=17.3v_x = 20\cos30^\circ = 17.3 m/s, sürat de budur. (a) "tepede durur" yanılgısı. (b) dikey bileşen v0yv_{0y}.

Soru 6orta

A point on the rim of a wheel of radius 0.30 m moves in a circle at 2.0 revolutions per second. What is its centripetal acceleration?

  1. 3.77 m/s²
  2. 2.96 m/s²
  3. 12.6 m/s²
  4. 47.4 m/s²
  5. 1.20 m/s²
Cevabı göster
D) 47.4 m/s²

T=1/f=0.50T = 1/f = 0.50 s, v=2πr/T=2π(0.30)(2.0)=3.77v = 2\pi r/T = 2\pi(0.30)(2.0) = 3.77 m/s. ac=v2/r=3.772/0.30=47.4 m/s2a_c = v^2/r = 3.77^2/0.30 = 47.4\,\text{m/s}^2. (a) sürat, ivme değil. (b) 2.0 periyot (s) sanılmış. (c) v/rv/r, kare unutulmuş. (e) 2π2\pi unutulmuş.

Soru 7kolay

A car travels at a constant 54 km/h around a circular curve of radius 75 m. What is the magnitude of its acceleration?

  1. 0
  2. 0.20 m/s²
  3. 3.0 m/s²
  4. 38.9 m/s²
  5. 1.5 m/s²
Cevabı göster
C) 3.0 m/s²

v=54/3.6=15v = 54/3.6 = 15 m/s. ac=v2/r=225/75=3.0 m/s2a_c = v^2/r = 225/75 = 3.0\,\text{m/s}^2. (a) sabit sürat, ivme sıfır yanılgısı. (b) v/rv/r. (d) km/h çevrilmemiş. (e) v2/(2r)v^2/(2r).

Soru 8orta

Earth orbits the Sun in a nearly circular path of radius 1.50 × 10¹¹ m with a period of 365.25 days. What is the magnitude of Earth's centripetal acceleration?

Cevabı göster
5.95 × 10⁻³ m/s²

T=365.25×86 400=3.156×107T = 365.25 \times 86\,400 = 3.156\times10^7 s. ac=4π2rT2=4π2(1.50×1011)(3.156×107)2=5.95×10−3 m/s2a_c = \dfrac{4\pi^2 r}{T^2} = \dfrac{4\pi^2(1.50\times10^{11})}{(3.156\times10^7)^2} = 5.95\times10^{-3}\,\text{m/s}^2. Günü saniyeye çevirmeyi unutma.

Soru 9orta

A car moves on a curve of radius 100 m. At one instant its speed is 20 m/s and it is speeding up at 3.0 m/s². What is the magnitude of its total acceleration at that instant?

  1. 3.0 m/s²
  2. 4.0 m/s²
  3. 7.0 m/s²
  4. 5.0 m/s²
  5. 1.0 m/s²
Cevabı göster
D) 5.0 m/s²

Radyal (merkezcil) bileşen ar=v2/r=400/100=4.0 m/s2a_r = v^2/r = 400/100 = 4.0\,\text{m/s}^2, teğetsel bileşen at=3.0 m/s2a_t = 3.0\,\text{m/s}^2. İkisi dik: a=4.02+3.02=5.0 m/s2a = \sqrt{4.0^2 + 3.0^2} = 5.0\,\text{m/s}^2. (c) düz toplanmış, (e) çıkarılmış. (a) ve (b) birer bileşen.

Soru 10zor

A river 80 m wide flows at 1.5 m/s. A boat moves at 2.5 m/s relative to the water. The pilot heads the boat so that it travels straight across, perpendicular to the banks. How long does the crossing take?

  1. 32 s
  2. 27 s
  3. 40 s
  4. 53 s
  5. 20 s
Cevabı göster
C) 40 s

Tam karşıya gitmek için tekne akıntıya karşı açıyla yönelir: sin⁡ϕ=1.5/2.5\sin\phi = 1.5/2.5, ϕ=36.9∘\phi = 36.9^\circ. Yere göre hız dik doğrultuda 2.52−1.52=2.0\sqrt{2.5^2 - 1.5^2} = 2.0 m/s, süre 80/2.0=4080/2.0 = 40 s. (a) tekne dik yönelseydi (o zaman sürüklenirdi). (b) 2.52+1.52\sqrt{2.5^2 + 1.5^2} kullanılmış. (d) akıntı hızıyla bölünmüş. (e) hızlar toplanmış.

Soru 11orta

Rain falls vertically at 8.0 m/s relative to the ground. A car drives horizontally at 15 m/s. At what angle from the vertical do the raindrops appear to fall, as seen by the driver?

  1. 28.1°
  2. 61.9°
  3. 90°
  4. 45.0°
  5. 0°
Cevabı göster
B) 61.9°

v⃗yag˘mur,araba=v⃗yag˘mur,yer−v⃗araba,yer\vec v_{\text{yağmur,araba}} = \vec v_{\text{yağmur,yer}} - \vec v_{\text{araba,yer}}: aşağı 8.0 m/s ve geriye 15 m/s. Dikeyden açı tan⁡−1(15/8.0)=61.9∘\tan^{-1}(15/8.0) = 61.9^\circ. (a) yataydan ölçülen açı.

Soru 12kolay

An airplane heads due north with an airspeed of 250 km/h. A wind blows toward the east at 60 km/h. What is the plane's speed relative to the ground?

Cevabı göster
257 km/h

v⃗uc¸ak,yer=v⃗uc¸ak,hava+v⃗hava,yer\vec v_{\text{uçak,yer}} = \vec v_{\text{uçak,hava}} + \vec v_{\text{hava,yer}}. İki vektör dik: 2502+602=257\sqrt{250^2 + 60^2} = 257 km/h, kuzeyin tan⁡−1(60/250)=13.5∘\tan^{-1}(60/250) = 13.5^\circ doğusuna. Hızları düz toplamak (310) ya da çıkarmak (190) sadece aynı doğrultudaki rüzgârda doğru.

Doğrulama: Tüm sayısal cevaplar ve çeldiriciler node ile hesaplandı (verify/PHY1001/05.mjs), g = 9.80 m/s²; uçuş süreleri ikinci derece denklemin pozitif köküyle, menziller iki yoldan (formül ve vx·t) kontrol edildi.

Deftere not kartı

EĞİK ATIŞ: ax = 0, ay = −g; v0x = v0 cos θ, v0y = v0 sin θ x = v0x t y = v0y t − ½ g t² vy = v0y − g t Tepe: vy = 0, t = v0 sin θ / g, H = (v0 sin θ)²/2g, hız = v0x (sıfır değil) AYNI SEVİYE: R = v0² sin 2θ / g, T = 2 v0 sin θ / g; 45°'de R max; θ ve 90°−θ aynı R Yatay atış (h): t = √(2h/g), x = v0 t (süre yatay hızdan bağımsız) Binadan/uçurumdan: R formülü YOK; y = −h koy, pozitif kök DÜZGÜN DAİRESEL: a_c = v²/r = 4π²r/T², merkeze doğru; v = 2πr/T, f = 1/T Teğetsel a_t = d|v|/dt; toplam a = √(a_r² + a_t²) BAĞIL: v_PA = v_PB + v_BA (alt indisler zincir gibi) Nehir, dik yönelince: t = d / v_tekne, sürüklenme = v_akıntı · t Nehir, tam karşıya: sin φ = v_akıntı / v_tekne, t = d / √(v_t² − v_a²) Hesap makinesi DEG; km/h ÷ 3.6