Astrofizik Notlarım (6): Eylemsizlik

Şu sıralar bana hiç bir şeyin vermediği keyfi temel fizik dersi veriyor. Yıllar sonra Fizik 1 dersi alıyorum ve bilmediğim, bildiğimi sandığım ama bilmediğim birçok yeni bilgi edindim. Tüm bunların yanında farkında olduğum bir şeyi anımsadım; Fizik eğlencelidir ve severseniz asla zor değil. Dersi, fiziği her halinden sevdiği belli olan bir fizikçiden alınca öğrenmek zor olmuyor. Bu yazının konusu Newton yasaları, biraz daha açarsak eylemsizlik kanunu, kütle, ivme, merkezcil ivme ve diğerleri ...


Newton'un 1. Yasası (Eylemsizlik Yasası)

Bu yasa,  cisimlerin mevcut halini koruma eğilimi ile ilgidir. Buna eylemsizlik diyoruz. Eylemsizlik ksinklikle cismin tamamen durgun olması demek değildir. Yani sabit bir hızı olan cisimler (örneğin belli bir hızla giden araba) için de eylemsizlik hali geçerlidir. 

Bu yasa için altın kural ise cisme eğer etki eden kuvvetler varsa - bu kuvvetler iki ya da çok daha fazla olabilir -bu kuvvetlerin bileşkesi sıfır olmalı. Yani cisme eden tüm kuvvetlerin toplamları sıfır olmalı. Eğer bu kuvvetlerin bileşkesi sıfırdan farklı ise o cismin hareketini 1. Yasa çerçevesinde incelemeyeceğiz. Net kuvvet sıfırdan farklı ise ilk durumda cisim durgun ise harekete başlar, hareket ediyorsa (kuvvet ters yönde ise) yavaşlar ya da ( kuvvet hareketle aynı yönde ise) cisim hızlanır. 

Peki, ani fren yapan bir aracın içindeyken neden öne doğru savruluruz? Çünkü eylemsizlik yasası gereği mevcut olan hareketimizi korumak isteriz. Bazı ihmaller yaparak bir toplu taşıma aracında olduğunuzu düşünelim. Araç 40 km/saat hızla gidiyor olsun. Siz aracın içinde sabit (herhangi bir hareketiniz, dolayısıyla hızınız yok) aracın hızı sizin de hızınız oluyor. Yani saatte 40 kilometrelik bir hızınız var. Ani fren anında bu eylemsizliği korumak istiyorsunuz ve aniden yavaşlayıp duran araç içinde bu var olan hızınızla devam etmek istiyorsunuz. 

Dolayısıyla bir anda öne doğru savruluyorsunuz. Eğer o sırada emniyet kemeriniz bağlıysa ya da tutunup destek alabileceğiniz bir yer varsa hareketinizi zıt yönde bir kuvvet uygular ve dengede kalırsınız. 

Eylemsizlik kütlenin bir ölçütüdür demişti derste hocamız. Yani kütle ne kadar büyükse direnç o ölçüde fazladır. Daha büyük kütleli bir kutunun eylemsizliğini yenebilmek için (kaldırabilmek için) daha fazla kuvvet uygulamamız gerekecektir.  Esasında eylemsizlikten ilk bahseden Galileo'dur. 

Galileo: Bir cisim, durgun ise durgunluğunu korur. Hareket halindeki bir cisim üzerine bir dış kuvvet etki etmediği sürece doğrusal bir çizgi boyunca sabit hızla hareketine devam eder.

Newton: Her cisim eğer üzerine etkiyen bir kuvvet tarafından durumu bozulmaya zorlanmaz ise düzgün doğrusal hareketini ya da durma halini korumaya direnir.

Tabi, günlük hayatta bu durumları tam olarak böyle gözlemlemeyiz. Çünkü yerçekimi kuvveti ve sürtünme kuvveti cisimlerin hareketi üzerinde etkilidir. Ama bu etkileri işin içerisine katıp hesaplamalar yapabiliriz. Yerçekiminin olmadığı (aslında ihmal edilecek kadar az olduğu desek daha doğru olur) Uluslararası Uzay İstasyonu'nda bırakılan bir cismin yere doğru düşmediğini ve hava duran cisimlerin ancak bir kuvvet etkisiyle hareket ettiklerine dikkat edin.

Başına düşen elma sayesinde olmasa da Newton yerin merkezine doğru bir kuvvetin olduğun ve tüm nesnelerin bu kuvvetin etkisiyle yerin merkezine doğru hareket ettiğini fark etti. Uydumuz Ay dahil tüm cisimler... Aynı kuvvetin etkisiyle düşerler. 

Etkiyen kuvvetlerin toplamları sıfırdan farklı olduğunda cisim var olan hareketini ya da durgunluğunu koruyamaz ve tam bu noktada Newton'un bir diğer yasası işin içine girer.

İvme

Cisimlerin hareketini incelediğimizde belki de en önemli parametre ivmedir. Bir kuvvet varsa bir ivme vardır. Derste tartıştığımız bir diğer konuda Merkezcil Kuvvet ve 'Merkezkaç Kuvveti'. Merkezkaç kuvveti diye bir şey yok tabi. Böyle bir kuvvet olması için bu kuvveti yaratacak bir etki olmalı. Bize sorulan bir soruyu ben de size yönelteyim, eğer merkezkaç kuvveti varsa neden merkezcil ivmeden söz edilirken 'merkezkaç ivmesi' diye bir şey yok? 

a = Fnet / m

İvme önemli! Ünlü F =m.a denklemini yukarıdaki gibi de ifade edebiliriz. Yukarıdaki haliyle ikinci yasa bize ivmenin kütle başına uygulanan kuvvetle doğrudan ilişkili olduğunu söyler. 

İvme demişken, muhtemelen gözümüzle görsek inanmakta güçlük çekeceğimiz bir deneyden bahsetmek gerek. Aristo fiziğinde cisimlerin yere düşme hızıyla ağırlıklarının ilişkili olduğu söylenir. Yani daha ağır cisimler daha hızlı düşer. Bir demir bilye bir tüyden daha hızlı düşmeli... Galileo bunun böyle olmadığını düşündü. Gerçektende durum farklı. Eğer hava direnci yoksa, sürtünmesiz ortamda tüm cisimler yere aynı hızla düşerler. 

Bahsettiğim deney, bu deney Apollo 15 ile havasız bir ortam olan Ay'da da gerçekleştirildi.

via GIPHY

Yerçekimi ivmesi g (a yerine küçük g harfi ile gösterilir) tüm cisimler için aynı ve sabit bir değerdir. Bu yüzden serbest düşme hareketi yapan cisimler eğer bir hava direnci ile karşılaşmazlarsa eşit yükseklikten aynı anda bırakıldıkları takdirde aynı anda yere düşerler. Üstteki animasyonda deneyin yapıldığı ortam vakumludur. Vakumsuz ortamda hava direnci özellikle yüzey alanı geniş cisimlere daha fazla etki edip düşme yavaşlatır, düşüş süresini uzatır. 

Hareket halindeki bir asansörde tartıldığımızda normal ağırlığımızdan daha farklı bir değer okuruz. Bunun nedeni ne peki? Cevabı Newton'un 3. Yasası'nda gizli.

Evet, Newton yasaları hayatın içinde, sandığımızdan çok daha fazla. Ve fizik eğlencelidir. 

Tüm Notlar için görsele dokunun.

Öneri: https://www.grc.nasa.gov/www/k-12/airplane/newton.html

Ay Yüzeyinde Yapılan Deney

Faydanılan Kaynaklar:

http://www.physicsclassroom.com/

http://www.gercekbilim.com/ayni-yukseklikten-birakilan-bowling-topu-ve-tuy-newton-bilim/