KUVVET VE HAREKET KONU ANLATIMI

KUVVET VE HAREKET

Kuvvet, bir cismi harekete geçirebilmek, hareket halindeki bir cismi durdurabilmek, hareketin yönünü ya da hızını değiştirebilmek için gerekli olan itme ya da çekme miktarıdır. Çim biçme makinesini iten bir bahçıvan,duvarda asılı olan bir resmi tutan çivi hep kuvvet uyguluyor demektir. Eğer bu kuvvetler uygulanmıyor olsaydı, çim biçme makinesi hareket etmez, resim yere düşerdi.

Bütün bu itme, çekme ve tutma örneklerinde, kuvvet, üzerinde etki yaptığı cisimle gerçekte temas halindedir. İnsanlar uygulayabildikleri kuvvetin miktarını arttırmak için kaldıraç, makara ve fren gibi mekanizmalar geliştirmişlerdir. Bu tür mekanizmalara basit makine denir.

Bütün kuvvetlerin etkiledikleri cisme temas etmeleri gerekmez, yani bazı kuvvetler uzaktan etkiler. Bu tür kuvvetlerden ikisi elektrik ve magnetizmadır. Bir üçüncüsü de, her an yaşadığımız yerçekimi kuvvetidir; yerçekimi, dünyanın üzerindeki bütün cisimlere uyguladığı yere doğru çekme kuvvetidir. Elimizde tuttuğumuz bir tuğlayı bıraktığımız anda tuğla, yerçekiminin etkisiyle yere düşer, bu arada düşerken hızı giderek artar; hızdaki bu artışa ivme denir. Ama eğer tuğlayı elimizde taşıyorsak, tuğla üzerinde yukarı doğru bir itme kuvveti uygulayarak yerçekimi kuvvetini dengeliyoruz demektir; bu durumda uyguladığımız itme kuvveti ile yerçekimi kuvveti birbirine eşittir. 1687’de büyük İngiliz bilim adamı Sir Isaac Newton kuvvet ve hareketle ilgili üç yasa yayımladı. Bunlara Newton hareket yasaları denir.

Hareketsiz halde duran yada sabit bir hızla hareket etmekte olan bir cisme, herhangi bir başka kuvvet uygulanmadığı sürece bu durağan halini yada sabit hızlı hareketini korur (Otobüs birden durduğunda yolcuların birden öne doğru savrulduklarına dikkat etmişsinizdir.Savrulmanın nedeni, yolcuların durma anından önceki sabit hızlı hareketlerini sürdürmeleridir.).

Belirli bir hızla yol almakta olan bir cismin hızını değiştirmek için gerekli olan kuvvetin miktarı, cismin kütlesine ve cisme kazandırılmak istenen ivmenin miktarına bağlıdır (Bir golf topunu durdurmak, aynı hızla hareket eden bir pingpong topunu durdurmaktan daha zordur;çünkü golf topunun kütlesi daha büyüktür.).

Her etki, kendisine eşit ve ters yönde bir tepki doğurur (Bir jet uçağında,motor çok büyük bir gaz kütlesini sürekli olarak arkaya doğru püskürtür; bu nedenle de ters yönde,yani öne doğru itilir.). Elde tutulan, yani üzerinde yukarıya doğru bir kuvvet uygulanan tuğlanın yere düşmemesi de bu yasayla açıklanır.

Hareket halindeki bütün cisimler, momentum denen bir özelliğe sahiptir; cismin momentumu, kütlesi ile hızının çarpımına eşittir. Newton’un ikinci hareket yasasından, bir cismin momentumundaki  değişim oranın, o cismi etkileyen kuvvetle orantılı olduğu görülebilir. Momentum korunumlu bir özelliktir; yani örneğin, belirli momentumlarla birbirine yaklaşan iki cisim çarpıştıklarında, toplam momentumlarında bir değişiklik olmaz.

Kuvvet birimi newtondur. 1 newtonluk bir kuvvet, 1 kilogramlık bir kütlenin hızını saniyede 1 metre/saniye kadar, yani 1 metre/saniye kadar değiştirir.

Bir yüzeyin üzerine düzgün olarak dağılmış halde basan kuvvete basınç denir. Basınç, birim alana düşen kuvvet miktarıyla ölçülür. Kuvvet miktarı ise ağırlık birimleriyle ifade edilir.   

KUVVET

Bir cismin denge durumunu, veya şeklini değiştiren sebebe kuvvet denir. Bir cismi iterken, çekerken, veya kaldırırken kas kuvveti harcarız. Bir taşıt aracının veya asansörün hızı (veya ivmesi) değiştiği zaman, hareket ettiren kuvvetin farkına varabiliriz.

Fizik biliminin bir dalı olan mekanik, cisimlerin denge durumlarını ve hareketlerini inceler. Mekaniğin önemli bir konusu olan kuvvet, ne tür olursa olsun, yani ister cansız bir cisim, ister bir canlı tarafından meydana getirilsin, bir vektör ile gösterilir.

KUVVETİN SINIFLANDIRILMASI

Her  ne kadar fizikçiler,Einstein’ın çalışmalarından bu yana  bütün kuvvetlerin tek bir olaydan (elektromagnetik olay)kaynaklandığını düşünürlerse de, kuvvetler üç kümede sınıflandırılırlar:

Uzaktan etkiyen kuvvetler yada alan kuvvetleri;

Temas kuvvetleri (ancak iki sistemin bağlantı kurması sonucu ortaya çıkar);

Kohezyon (iç tutunum) kuvvetleri (katı cisimlerin bükülmezliğini sağlarlar).

Alan Kuvvetleri:

Bir cismin her bir öğesinin kütlesi üstüne etkirler; bu nedenle alan kuvvetlerine, bir yüzey üstüne etki eden temas kuvvetlerinden ayırt etmek amacıyla , kütle kuvvetleri de denir. Alan kuvvetleri, havasız bir ortam içinde bile birbirinden uzaktaki cisimlere etkirler. Bunlar yerçekimi kuvvetleri, cisimlerin ağırlığı ve elektrostatik, magnetik, elektromagnetik kuvvetlerdir.

Temas Kuvvetleri: 
Birbirleri ile ilişki halindeki katıların, içine girilmez ve bozulmaz olma özelliğinden kaynaklanırlar. Her iki cisme de ortak, küçük bir yüzeyde (temas yüzeyi) gerçekleşen temas sonucu, bu bölgenin yakınlarında, katı hafifçe biçim değiştirir. Temas kuvvetleri yüzeye dik olduklarında, sürtünmesiz temas söz konusudur. Oysa, bir katı, bir başkasına oranla yer değiştiriyorsa, temas kuvvetleri, yüzeye oranla eğiktirler: Bu duruma da sürtünmeli temas denir.

Kohezyon Kuvvetleri:

Katıyı oluşturan atomlar, moleküller yada iyonlar arasında etkirler. Makroskobik düzeyde, bu kuvvetler temas kuvvetlerini andırırlar, ama atomik ölçekte, alan kuvvetleri niteliğindedirler. Katılar arasındaki temas etkileşimlerinde temel nitelikte bir rol oynamakla birlikte, açıkça işe karışmazlar.

KUVVETİN ELEMANLARI

Uygulama noktası: Kuvvetin uygulandığı noktadır.

Doğrultu: AB doğrultusu kuvvetin doğrultusudur.

Yönü: Ok işareti ile gösterilen yön kuvvetin yönüdür.

Şiddeti: AB vektörünün büyüklüğü kuvvetin şiddetini gösterir.

KUVVETLERİN ÖLÇÜMÜ

Çeşitli kuvvetlerin etki ettirildiği bir yayın uzanımlarının karşılaştırılması,iki kuvvetin eşitliğinin ve toplamlarının tanımlanmasına olanak sağlar. Demek ki kuvvet, ölçülebilen bir büyüklüktür.

Kuvvetler vektörel  büyüklüklerdir. Kuvvet vektörünün uygulama noktası, kuvvetin cisme etkidiği nokta, doğrultu ve yönü, kuvvetin doğrultu ve yönü, modülüyse kuvvetin şiddetidir. Bu şiddet newton (N), kilogram-kuvvet (kg-f), gram-kuvvet (g-f) veya dyne (dyn) cinsinden belirtilir. Bu kuvvetler arasındaki dönüşümler ise;

1kg-f=1000g-f=9.81N=981000dyn

1N=105dyn

1g-f=981dyn biçimindedir.

Kuvvetlerin ölçümü, dinamometreler, teraziler ve genleşme ölçerlerle gerçekleştirilir.

Aynı uygulama noktası bulunan iki F1 ve F2 kuvvetini birleştirmek demek, bunların R bileşkesine, yani aynı anda uygulanan F1 ve F2 kuvvetlerininkine eşit etkilere neden olan kuvveti belirlemek demektir. İki kuvvetin bileşkesi, yön, doğrultu ve şiddet olarak vektörel hesap kuralları ile verilir. Çizim 1’de yöndeş kuvvetler örneği gösterilmiştir.

Aynı eksendeki iki kuvvet söz konusuysa, bileşkenin cebirsel ölçümü, kuvvetlerin cebirsel ölçümlerinin toplamına eşittir. Birbirine koşut iki kuvvet halinde, bileşke, kuvvetlere koşuttur ve yönü, en büyük kuvvetin yönüdür. İki kuvvetin etkime noktalarını birleştiren doğru üstünde bulunan bileşkenin uygulama noktası, iki kuvvetin bu noktaya göre momentlerinin toplamı sıfır olacak biçimdedir. Şiddeti, bileşen kuvvetlerin aynı ya da ters yönde olmasına göre, bunların şiddetlerinin toplamına ya da farkına eşittir. Özel olarak, iki koşut kuvvetin şiddetleri aynı, yönleri ters ise, bunların bileşkelerinin sıfır olduğu bir kuvvet çifti oluştururlar.

VEKTÖRLER:

Fizikte daima hız, ivme, kuvvet, kütle, ağırlık, enerji, ... gibi fiziki büyüklükler ile karşılaşırız. Bunlar skaler ve vektörel büyüklükler olarak iki sınıfa ayrılır. Bir skaler miktarın belirlenmesi için yalnız büyüklüğünün ve biriminin verilmesi yeter, 3kg, 5m3 gibi. Halbuki fiziki büyüklüklerin diğer sınıfı için durum farklıdır. Mesela, 10 newtonluk bir kuvvet demek yeterli değildir. Bu kuvvetin tamamen belirli olması için hangi doğrultuda ve yönde etki ettiği de bilinmelidir. Hız, ivme, kuvvet, ağırlık,... gibi bu tip miktarlara vektörel büyüklükler denir, bir vektörel büyüklük, uzunluğu ve yönü belirtilmiş bir doğru çizgi ile gösterilir. Problemlerde, vektörel miktarların sayı ve birim olarak büyüklüğü, keyfi bir ölçeğe göre çizilen doğru parçasının uzunluğu ile verilir.

Büyüklüğü, birimi, doğrultusu ve yönü belli olan ve bir ölçeğe göre çizilen doğru parçasına vektör denir ve grafik olarak çizim 2’deki gibi bir OU oku ile gösterilir. O noktası vektörün başlangıç noktası, U uç noktasıdır. OU doğrusu vektörün doğrultusunu, OU uzunluğu büyüklüğünü, bir ucuna konan ok başı vektörün yönünü verir. Bir vektör, bir veya iki harfin üzerine konulan bir ok (→) işareti ile, A veya OU şeklinde, veya A gibi kalın bir harf ile gösterilir. Çizim 3’deki gibi, A ve B vektörlerinin büyüklükleri ve yönleri aynı ise, bu iki vektörün eşit olduğu söylenir. Başlangıç noktalarının aynı nokta olması şart değildir. Bir problemde birden fazla vektör (kuvvet) bulunuyorsa, hepsi de aynı ölçeğe göre çizilmelidir.

 

Verilen bir C vektörü ile zıt yönde,fakat aynı büyüklükte olan diğer bir vektör – C’dir, çizim 4. böyle eşit ve zıt yönlü iki vektörün toplamı sıfırdır.                                                      

 

(a)Vektörlerin Toplanması:Skaler büyüklüklere ait toplama ve çıkarma işlemleri basit cebir kaideleri ile yapıldığı halde,vektörlerle yapılan işlemlere bu kaideler her zaman uygulanmaz.Vektörler aynı doğrultulu değilse,toplama ve çıkarma gibi işlemlerde vektörel metodlar kullanılır.Vektörlerin toplanmasında kullanılan grafik metodlar, paralel kenar kaidesi ve çokgen kaidesi olmak üzere iki çeşittir. Paralel kenar kaidesi, iki vektörün toplanmasında, çokgen kaidesi ikiden fazla vektörlerin toplanmasında faydalıdır.

Toplanacak vektörlerin bir düzlem içinde bulunduklarını kabul ediyoruz. Çizim 5(a)’da verilen A ve B vektörlerini önce paralel kenar kaidesine göre toplayalım.bu iki vektörün başlangıç noktaları aynı olmadığından, vektörlerden biri, kendisine paralel kalmak suretiyle diğerinin başlangıç noktasına getirilir,çizim 5(b). B vektörünün ucundan A vektörüne bir paralel, A vektörünün ucundan B vektörüne bir paralel çizilir.Meydana gelen paralel kenarın başlangıç noktasından çizilen köşegen,iki vektörün toplamı olur, R=A+B. Burada A ve B vektörlerine birleşen, R vektörüne birleşke denir. Birleşkenin büyüklüğü, iki vektör arasındaki açıya bağlıdır. Açı küçülünce birleşke vektör büyür.

 

(b)İki vektörün farkı(çıkarma işlemi):Aynı düzlemde bulunan A ve B gibi iki  vektörün farkını,önce paralel kenar,sonra üçgen kaidesi ile bulalım. A vektörünün başlangıç noktasından B vektörüne eşit ve zıt yönde bir vektör çizilir; çizim 6. A – B = A + (– B ) eşitliğine göre, A – B farkını bulmak A + (–B) toplamını bulmak demek olduğundan, A ve – B vektörleri için çizilen paralel kenarın köşegeni A – B farkını verir.

Üçgen kaidesi uygulamak için, A vektörünün ucundan B vektörüne eşit ve zıt yönde – B vektörü çizilir, çizim 7. Birinin başlangıç noktası ile diğerinin ucunu birleştiren vektör A – B farkına eşit olur.

 

(c)Vektörlerin birleşenlerine ayrılması:Vektörlerin toplanmasında,iki veya daha fazla vektörün yerini tutan ve birleşke denilen bir vektör elde edilmektedir. Fizikte bazen bunun aksinin yapılması gerekir,yani bir tek vektör verilir, bunun belirli doğrultularda iki veya daha fazla vektörlere ayrılması istenir. Bunlar verilen vektörün birleşenleri olur.

BİR KUVVETİN İŞİ

Kuvvetin uygulama noktası yer değiştirdiğinde, kuvvet bir iş yapar. Kuvvet bu yer değiştirme sırasında doğrultu ve şiddeti açısından sabit kalırsa, yapılan iş, kuvvetin şiddeti ile, kuvveti doğrultusu üstündeki, uygulama noktasının çizdiği eğrinin iz düşümünün uzunluğunun çarpımına eşit olur. Böylelikle, h metre yükseklikten inen P newton ağırlığındaki bir cisim söz konusu olduğunda, ağırlık kuvvetinin işi W=Ph (joule) olur. D’Alembert kuramı, yani edimsiz (virtüel) iş kuramı,bir çok statik ve dinamik sorunun çözülmesini sağlar. Sürtünmesiz bağlanmış katılar sistemine uygulanan eylemsizlik kuvvetlerini de içeren, bütün kuvvetlerin yaptığı işlerin toplamı, bağlarla bağdaşan her edimsiz yer değişimi (yani, katılar sistemindeki her olası yer değişimi) için sıfırdır.

Basit makineler (kaldıraç, makara, çıkrık, vb), uygulama noktasının yer değişimi arcılığıyla oldukça zayıf bir kuvvet etki ettirerek belirli bir işin yapılmasını sağlarlar. İnsanın ve hayvanların kas kuvvetleri ise özel durumlarda kullanılır. Genelde, gazların ve buharların basınç kuvvetleri ve özellikle elektriksel yollar ile üretilen kuvvetler kullanılmaktadır.

SÜRTÜNME VE SÜRTÜNME KUVVETLERİ

Mekanik konularını incelerken,sürtünme kuvvetinin kaynağını anlamak çok zor değildir. Mesela aynı büyüklükte iki kütleyi biri düz, diğeri pürüzlü olan iki yüzey üzerinde çekmeye çalışırsak; pürüzlü yüzeydeki cismi hareket ettirmek için daha büyük kuvvet uygulamamız gerekir. Bu durumda sürtünmenin sebebi, yüzeylerin yapısında bulunan pürüzlerden dolayıdır. Yüzeylerin pürüzlüğünün azalması ile sürtünme belli bir değere kadar azalır. Pürüzsüzlük daha da azalırsa, sürtünmenin yeniden arttığı gözlenir. Bunun sebebini; yüzeylerin aşırı derecede düz olması sonucu, atom ve molekülleri bir arada tutan kuvvetlere benzer kuvvetlerin doğmasına bağlamaktadırlar.

Sürtünme kuvvetleri, yüzeylere paralel olarak etki ederler ve daima cismin hareketine veya cismin hareket ettirmek için uygulanan kuvvete zıt olarak doğarlar.

Bir cismi harekete başlatmak için uygulanan kuvvet, cismin hareketini devam ettirmek için uygulanan kuvvetten daha büyüktür. Bu bizi şöyle bir sonuca götürür: durgun haldeki sürtünme kuvveti, hareket halindeki sürtünme kuvvetinden daha büyüktür. Statik sürtünme kuvveti duran bir cismi harekete başlatan, kinetik sürtünme kuvveti de, bir cismi sabit hızda harekette tutan kuvvettir.

SÜRTÜNME KANUNLARI:

Sürtünen yüzeyler arasında oluşan sürtünme kuvvetleri belli başlı bazı durumlara bağlıdır. Bunları şöyle sıralayabiliriz:

Sürtünen yüzeylerin yapısıyla (pürüzlü veya düz oluşuyla) orantılıdır.

Sürtünen yüzeylerin alanına bağımlı değildir.

Sürtünen yüzeyleri birbirine sıkıştıran kuvvet ile orantılıdır.

Kinetik sürtünme, statik sürtünmeden daha azdır.

Kinetik sürtünme, hızda bağımsızdır.

Sürtünme kuvvetin, yüzeylerin yapısı ve sürtünen yüzeyleri birbirine sıkıştıran kuvvet ile orantılı olduğunu belirtmiştik. Bu durumda formülü şöyle yazabiliriz:

                                     f = kN

Formüldeki f sürtünme kuvvetini, k sürtünme kat sayısını, N de iki yüzeyi birbirine sıkıştıran dik kuvveti verir.