HAREKET VE KUVVET

Hareket, fizikte mekanik konusu içerisinde yer alır. Mekanik ile nesnelerin hareketi ve durgun kalma özellikleri açıklanmaya çalışılır. Böylece evrendeki gezegen ve yıldızların hareketleri açıklanabilir, bina, köprü, gökdelen gibi binalar inşa edilebilir, uçak, gemi ve denizaltı gibi araçlar yapılabilir. Kısaca, dünya ve uzayda var olan veya var olması istenen birçok özellik mekanik konusu ile açıklanabilir. İnsanların en çok ilgilendiği ve günlük yaşamında karşılaştığı fiziksel olaylardan birisi harekettir. Bu nedenle fizik bilimine genellikle hareket konusu ile başlanır.

Skaler Büyüklükler: Yalnızca sayılarla ifade edilebilen ve bir birimi olan büyüklüklere denir. Skaler büyüklükler, kütle, sıcaklık, güç, zaman, iş vb. olarak incelenebilir. Örneğin; 3 metre, 5 kilogram, 35 oC, 600 Newton, 220 Volt gibi.

Vektörel Büyüklükler: Ölçülen büyüklüklerin bazılarındaki sayısal değer ve birim bazen bu veriyi anlamak için yeterli değildir. Bu büyüklüğün yönü, şiddeti, başlangıç noktası ve doğrultusu da önem kazanır. Örneğin; “Araba Ankara’dan İstanbul’a doğru saatte 90 km/sa hızla hareket ediyor” cümlesinde aracın yönü, doğrultusu ve hızı gibi kavramlar bilinmesi gereken değerlerdir. Vektörel büyüklük; şiddeti, yönü, doğrultusu ve başlangıç noktası belirlenebilen büyüklüklerdir. Yani yönlendirilmiş doğru parçalarına vektör denir.

Kuvvet: Günlük yaşantımızda yapılan her işte kuvvet kullanırız. Öğrencinin kitaplarını taşıması, evin kapısının kapatılması, deredeki suyun akması, bir uçağın havalanması kuvvet gerektiren bazı olaylardır. Bu nedenle yaşantımızda kuvvet olmadan bir iş yapmamız mümkün değildir. Kâinattaki bütün itme ve çekme olaylarının temelinde kuvvet vardır. Kuvvet, bir cisme temas ederek olabileceği gibi temas etmeden de meydana gelebilir. Dünya ve güneşin birbirlerini, mıknatısların diğer maddeleri çekmesi ve elektro manyetik çekim temas gerektirmeyen kuvvete örnek verilebilir. O halde kuvvet; fiziksel, kimyasal ve biyolojik sistemlerin temel özelliğini oluşturan en önemli kavramlardan bir tanesidir. Duran bir cismi harekete geçiren, hareket halindeki bir cismi durduran, cismin yön ve doğrultusunu değiştiren veya cisimlerin biçimlerinde değişiklik yapan etkiye kuvvet denir.

Kuvvetin Cisimlerin Hareketlerindeki Etkileri: 1) Kuvvet etki ettiği cisimlere hareket kazandırabilir. 2) Kuvvet cisimlerin hızlarını değiştirebilir. 3) Kuvvet hareket eden cisimlerin yönünü değiştirebilir. 4) Kuvvet cisimlerde şekil değişikliğine sebep olabilir.  5) Kuvvetlerin cisimler üzerinde döndürme etkileri bulunur.

Kuvvet Kavramı: Cisimler arasında oluşan kuvvetleri etkileşim şekline göre iki gruba ayırmak mümkündür. Bunlar sırası ile Temas Kuvvetleri ve Alan Kuvvetleri’dir.

Temas Kuvvetleri: İki cisim arasındaki fiziksel temas(değme) sonucu ortaya çıkan kuvvetlerdir. Örneğin yay kuvveti, sürtünme kuvveti, bir topu hareket ettirmek için topa etki eden itme kuvveti gibi.

Alan Kuvvetleri: Cisimler arasında temas olmadan etkisini gösteren kuvvetlerdir. Örneğin yerçekimi kuvveti, elektrik ve manyetik kuvvet gibi.

Bileşke kuvvet(Kuvvetler iş başında): 1-Kuvvetlerin Bileşkesi(Bileşke Kuvvet = Net Kuvvet) 2-Kuvvetlerin Dengelenmesi 3-Dengelenmiş ve Dengelenmemiş Kuvvetler 4-Etki–Tepki Prensibi 5-Dengeleyici Kuvvet

Ağırlık bir kuvvettir: 1- Genel (Evrensel)Çekim Kuvveti 2- Kütle Çekim Kuvveti 3- Yer Çekimi Kuvveti 4- Kütle ve Ağırlık Arasındaki Farklar

İvme (Hız Değişimi): Cisimlerin hareketleri her zaman sabit hızlı hareket biçiminde olmaz. Gidilen yolun durumuna göre bazen hızlanma bazen de yavaşlama olur. Eğer cisim gittikçe hızlanıyorsa, hızın değeri zamanla büyürken, yavaşlayan cisimlerde hız küçülür. Buna göre, hızlanan cisim bir an öncesinden daha çok yol almaya, yavaşlayan cisim de daha az yol almaya başlar. 

Sürtünme kuvveti: Bir cismi farklı yüzeylerde hareket ettirmenin, cismin hareketinde değişiklikler yaptığını günlük yaşantımızdan bilmekteyiz. Pürüzlü, kaygan veya cilalı yüzeylerde aynı cismin hareketi farklı farklı olmaktadır. Cam üzerinde bir cisim daha kolay hareket ederken tahta üzerinde hareket etmesi daha zordur.

Cismin hareket ettiği yüzeyin pürüzlü olması, cismin harekete geçmesini zorlaştırırken, düz veya pürüzsüz yüzeylerde aynı cisim daha kolay harekete geçer. Bu nedenle halı, tahta, taşlı zemin gibi yüzeylerde cismi harekete geçirmek için gerekli olan kuvvet; cam, asfalt, yağlı zemin gibi yüzeylerdeki aynı cismi hareket ettirmek için gerekli olan kuvvetten daha büyüktür. Yani cismin temas ettiği yüzeyin pürüzlüğü arttıkça, cismin harekete geçmesi için gerekli olan kuvvete artmaktadır.

Sürtünme kuvveti olmasaydı: Sürtünme kuvveti, cisimlerin yüzeyde tutunmasına yardım eden bir etkendir. Eğer sürtünme kuvveti var olmasaydı birçok yaşamsal faaliyet mümkün olmazdı. Yolda yürüyemez, bir yerde oturamaz, yemek yiyemez, yazı yazamaz, araç kullanamazdık. Örneklerde de görüldüğü gibi her türlü hayati olayın gerçekleşmesinde sürtünme kuvvetinin etkisi vardır. Araba örneğini biraz açacak olursak, yolda hareketine başlayan bir aracın durması sürtünme kuvvetinin etkisi ile oluşmaktadır. Bu kuvvet olmasaydı frenler tutmayacağı için araba sürekli hareket ederdi.

Serbest düşme ve atmosfer basıncı:  Bir cisim ağırlığının etkisi ile serbest bir şekilde bırakıldığında, g ivmesi ile hızlanmaya başlar. Bu nedenle, ilk hızı sıfır olarak bırakılan bir cismin, ağırlığının etkisi ile yere doğru yaptığı harekete serbest düşme denir. Serbest düşme etkisindeki bir cisim a = g = 9,8 m/s2’lik ivme ile hızlanmaya devam eder. t süre içinde bir cismin hızı v = g. t olurken, düştüğü yükseklik; h = 1/2 gt2 olur.

Serbest düşme halinde olan bütün cisimler aynı ivme (a=g) ile hızlanırlar. Yani serbest düşme halindeki cisimlerin kazandıkları ivmeler, cismin kütlesine bağlı değildir. Serbest düşme yapan cisimler hava içerisinde hareket ettiklerinden düşme esnasında hava moleküllerine çarparlar. Hava molekülleri cisme direnç gösterirler bu da cismin ivmesinin azalmasına neden olur. Örneğin, uçaktan atlayan bir kişi paraşütü açmadığı sürece gittikçe artan bir ivme ile yere doğru düşerken paraşütü açtıktan sonra sürtünme yüzeyi artacağından daha yavaş bir şekilde yere doğru inmeye başlar. Bu durum yağmur damlaları için de söz konusudur. Yağmur damlaları, hava molekülleri sayesinde yavaşlamasa çok daha hızlı bir şekilde yeryüzüne ineceklerdir. Bunun sonucunda ise çok büyük zararlar meydana gelirdi.  Fakat hava direnci sayesinde yağmur damlaları belli bir hıza ulaştıktan sonra belirli bir hızla yere doğru inerler. Hava olan ortamlarda cismin kütlesi ve yüzeyi hıza ve ivmeye etki ederken havasız ortamlarda bütün cisimler aynı hızla hareket ederler. Örneğin havası alınmış bir cam tüpte demir bilye ile ağaç yaprağı bırakıldığında aynı anda yere düşeceklerdir. Fakat cam tüpe tekrar hava verildiğinde demir bilye yapraktan daha önce yere düşecektir.  

Serbest düşme ve yerçekimi: Aynı yüke sahip cisimlerin birbirini ittiği, zıt yüklerin ise birbirini çektiği bilinmektedir. Mıknatıslarında aynı kutupları birbirini iterken, zıt kutuplar birbirini çekmektedir. Yüklü cisimlerin bu şekilde birbirini etkileme kuvvetlerine elektrik kuvvetleri, mıknatısların etkileşme kuvvetlerine ise magnetik kuvvetler denir. Bu kuvvetlerin dışında hayatımızı etkileyen bir diğer kuvvet daha vardır. Buna da kütle çekim kuvveti denir.

AĞIRLIK BİR KUVVETTİR

Genel (Evrensel)Çekim Kuvveti: Evrende bulunan bütün cisimler birbirlerine çekim kuvveti uygularlar. Bu kanuna genel (evrensel) çekim kanunu denir. Cisimlerin birbirlerine uyguladıkları çekim kuvveti. Özellikleri: 

^·    Cisimlerin kütlelerine bağlıdır (ve kütlelerinin çarpımı ile doğru orantılıdır).

^·    Cisimlerin kütleleri arttıkça çekim kuvveti artar.

^·    Cisimlerin (kütle merkezlerinin) arasındaki uzaklığa bağlıdır (ve uzaklığın karesi ile ters orantılıdır). Cisimlerin arasındaki uzaklık arttıkça çekim kuvveti azalır.

^·    Cisimlerin birbirlerine uyguladıkları çekim kuvveti eşit büyüklükte fakat zıt yöndedir.

NOT:

·  Gezegenlerin Güneş etrafında belirli yörüngelerde (elips şeklinde) dolanmalarının nedeni, Güneş’ in gezegenlere çekim kuvveti uygulamasıdır.

·  Dünya ve Dünya üzerindeki bütün cisimler birbirlerine çekim kuvveti uyguladıkları halde bu kuvvetten sadece cisim etkilenir, Dünya etkilenmez. Bunun nedeni Dünya’nın kütlesinin çok büyük olmasıdır.

·  Genel çekim kanunu Newton tarafından açıklanmıştır.

Kütle Çekim Kuvveti: Dünya’nın ve diğer gök cisimlerinin üzerinde bulunan cisimlere uyguladığı çekim kuvvetine kütle çekim kuvveti denir. Özellikleri:

·  Gök cisimlerinin, üzerinde bulunan cisimlere uygulayacağı kütle çekim kuvvetinin büyüklüğü aynı değildir. Gök cisimlerinin üzerinde bulunan cisimlere uyguladığı kütle çekim kuvvetinin büyüklüğü o gök cisminin kütlesine (ve yarıçapının karesine) bağlıdır. Gök cisminin kütlesi artıkça kütle çekim kuvveti artar (gök cisminin yarıçapı arttıkça kütle çekim kuvveti azalır). Kütlesi büyük olan gök cisminin, üzerinde bulunan cisme uygulayacağı kütle çekim kuvveti kütlesi küçük olan gök cisminin uygulayacağı kütle çekim kuvvetinden büyük olur.

·  Gök cisimlerinin üzerinde bulunan cisimlere uygulayacağı kütle çekim kuvvetin yönü her zaman gök cisminin merkezine doğrudur.

·  Gök cisimlerinin üzerinde bulunan cisimlere uygulayacağı kütle çekim kuvvetinin büyüklüğü, gök cismi (nin kütle merkezi) ile cisim arasındaki uzaklığa bağlıdır. Gök cismi ile üzerinde bulunan cisim arasındaki uzaklık artarsa kütle çekim kuvveti azalır.

·  Gök cisimlerinin, üzerinde bulunan cisimlere uygulayacağı kütle çekim kuvvetinin büyüklüğü aynı değildir. Güneş sisteminde bulunan gök cisimlerinin 1 kg lık kütleye uyguladıkları kütle çekim kuvvetlerine bakılarak hangi gök cisminin kütlesinin büyük olduğu görülebilir.

·  Bir parçacığın kütlesine etki eder. Sınırsız bir alanı kapsar. Kuvvet çok zayıftır. Gündelik iki eşyanın bir birine uyguladığı kütleçekim kuvvetini ölçmek günümüz teknolojisi ile mümkün değildir. Kuvvet taşıyıcısı graviton‘lardır. Gravitonların spini 2 olduğundan, aynı yüklü gravitonlar birbirini çeker. Zıt yüklü gravitonlar ise bir birlerini iterler.

1 kg lık kütleye uygulanan çekim kuvveti: Güneş’te à 247 N- Merkür’de à 3,70 N-Venüs’te à 8,87 N-Ay’da à 1,62 N-Dünya’da à 9,81 N-Mars’ta à 3,77 N-Jüpiter’de à 23,30 N-Satürn’de à 9,20 N-Uranüs’te à 8,69 N-Neptün’de à 11,00 N-Plüton’da à 0,06 N Verilen kütle çekim kuvvetlerine göre kütlesi en büyük olan gezegen Jüpiter’dir. Dünya’daki kütle çekim kuvveti Ay’daki kütle çekim kuvvetinin yaklaşık 6 kat daha fazladır.

Yer Çekimi Kuvveti: Kütle çekim kuvvetinin Dünya için isimlendirilmiş haline yer çekimi kuvveti denir. Bu nedenle yer çekimi kuvveti Dünya’nın, üzerinde bulunan cisimlere uyguladığı kütle çekim kuvvetidir. Özellikleri:

• Dünya’nın, üzerinde bulunan bir cisme uyguladığı yer çekimi kuvvetinin büyüklüğüne ağırlık denir. Ağırlık ile gösterilir ve vektörel büyüklüktür.

• Yer çekimi kuvveti cisimleri daima Dünya’nın merkezine çeker. Bu nedenle yer çekimi kuvvetinin yani cismin ağırlığının yönü daima Dünya’nın (yerin) merkezine (aşağı) doğru gösterilir.

• Ağırlık dinamometre veya yaylı el kantarı ile ölçülür. (Günlük hayatta yaylı el kantarı ile kütle ölçülebilmektedir. Yaylı el kantarının bölmeleri kütle ölçümü için ayarlanmıştır).

• Bir cismin ağırlığı cismin Dünya üzerinde bulunduğu yere göre değişir. Cisim Dünya’nın (yerin) merkezine yaklaştıkça (g arttığı içi) ağırlık artar, cisim Dünya’nın (yerin) merkezinden uzaklaştıkça (g azaldığı için) ağırlık azalır.

• Dünya, kutuplardan basık olduğu için Dünya’nın kutuplardaki yarıçapı, ekvatordaki yarıçapından küçüktür. Bu nedenle bir cismin kutuplardaki ağırlığı, ekvatordaki ağırlığından daha büyük olur. (Yerin merkezine daha fazla yaklaşıldığı için).

• Dünya’da deniz kenarından yükseklere çıkıldıkça cismin Dünya’nın merkezine uzaklığı artacağı için ağırlığı azalır.

• Dünya’daki kütle çekim kuvveti Ay’daki kütle çekim kuvvetinin yaklaşık 6 katı olduğu için bir cismin Dünya’daki ağırlığı, Ay’daki ağırlığının yaklaşık 6 katıdır. Ay’daki kütle çekim kuvvetine ay çekimi kuvveti denir.

• Gezegenlerin, üzerlerinde bulunan cisimlere uyguladığı yer çekimi kuvvetinin şiddetine yer çekim ivmesi denir. Yer çekim ivmesi ile gösterilir.

NOT :

·  Uzayda kütle çekimi olmadığı için bir cismin uzaydaki ağırlığı sıfırdır.

·  Yer çekimi kuvveti Dünya üzerinde bulunan bütün cisimlere etki eder.

Kütle ve Ağırlık Arasındaki Farklar: Kütle ve ağırlık aynı kavramlar değildir.

·  Kütle, bir cismin değişmeyen madde miktarıdır. Ağırlık ise bir cisme etki eden yer çekimi kuvvetinin büyüklüğüdür.

·  Kütle eşit kollu terazi ile ağırlık dinamometre (veya aylı el kantarı) ile ölçülür.

·  Kütle yönsüz (skaler), ağırlık ise yönlü (vektörel) büyüklüktür.

·  Ağırlık cismin bulunduğu yere göre değişirken kütle değişmez. (Farklı gezegenlerde cisme uygulanan kütle çekim kuvveti farklı olduğu için ağırlık değişir).

·  Kütle birimi kg ya da gr dır. Ağırlık birimi N ya da dyn dir.