Otobüs kalkarken neden geriye düşersin? Aynı kuvvetle ittiğin dolu ve boş çanta neden farklı hızlanır? Duvara yumruk atınca neden senin elin acır? Üçünün de cevabı bu ünitedeki üç yasada — ve bu yasalar hem topu hem gezegeni yönetiyor.
Cisimlerin mevcut hareket durumlarını koruma isteğine veya cismin kütlesinden dolayı hareket durumunu değiştirmeye yönelik etkilere karşı koyma eğilimine eylemsizlik denir. Yani bir cismin hızında meydana gelecek değişime direnmesi o cismin eylemsizliğidir. Eylemsizlik maddelerin ortak özelliklerindendir.
Bir cisme etki eden dış kuvvetlerin bileşkesi (net kuvvet) sıfırsa duran cisim durmaya, hareket hâlindeki cisim hareketini sabit hızla sürdürmeye devam eder.
Eylemsizlik cismin kütlesinden kaynaklanır. Kütlesi büyük olan cismin hareket durumunu değiştirmek daha zordur. Boş bir alışveriş arabasını tek elinle durdurabilirsin ama dolu arabayı zor durdurursun; ikisi de aynı hızda gitse bile. Kütle, eylemsizliğin ölçüsüdür.
Bir cisim üzerine etki eden net kuvvet sıfırdan farklı ise cisim ivmeli hareket yapar. Sürtünmesiz yüzeyde duran m kütleli cisme sırasıyla uygulanan F, 2F ve 3F büyüklüğündeki kuvvetler, uygulanan kuvvetlerle doğru orantılı olarak cisme sırasıyla a, 2a ve 3a büyüklüğündeki ivmeleri kazandırır.
Kuvvet–ivme grafiğinde doğrunun eğimi cismin kütlesini verir: Eğim = tanα = F/a = 2F/2a = 3F/3a = sabit = m
Cismin kütlesi sabit olmak şartıyla, kuvvet–zaman grafiği ile ivme–zaman grafiği şekil olarak aynıdır. Çünkü a = F/m'dir; m sabitken a, F ile doğru orantılıdır.
| Uygulanan kuvvet | Kuvvet–zaman (F–t) | İvme–zaman (a–t) | Hız–zaman (v–t) |
|---|---|---|---|
| F | F değerinde, zaman eksenine paralel | a değerinde, zaman eksenine paralel | Eğimi a olan, yükselen doğru |
| 2F | 2F değerinde, zaman eksenine paralel | 2a değerinde, zaman eksenine paralel | Eğimi 2a olan, daha dik yükselen doğru |
Kuvvet iki katına çıkınca ivme de iki katına çıkar; bu yüzden hız–zaman grafiğinin eğimi iki katı olur ve cisim aynı sürede iki kat hıza ulaşır.
Bir gezegenin yüzeyindeki bir cisme uyguladığı kütle çekim kuvvetine ağırlık denir. Ağırlık vektörel büyüklük olup dinamometre ile ölçülür, G⃗ sembolü ile gösterilir ve SI'da birimi Newton (N)'dır.
Bir gezegen üzerinde bulunan birim kütleye uygulanan kütle çekim kuvvetine gezegenin çekim ivmesi denir. SI'da birimi N/kg'dir. Dünya'da yer çekimi ivmesi adını alır.
Dünya'da yer çekimi ivmesi ortalama 9,81 N/kg'dir; hesaplamalarda kolaylık sağlaması için g = 10 N/kg alınır.
Dünya'da m kütleli bir cismin ağırlığı şu bağıntıyla bulunur:
| KÜTLE | AĞIRLIK | |
|---|---|---|
| Nedir? | Değişmeyen madde miktarı | Bulunulan gezegenin cisme uyguladığı çekim kuvveti |
| Ölçme aracı | Eşit kollu terazi | Dinamometre |
| Büyüklük türü | Skaler | Vektörel |
| Birimi | kg | Newton (N) |
| Yer değişince | Değişmez | Değişir (g değiştiği için) |
Bir A cismi, bir B cismine bir kuvvet uyguladığında; B cismi de A cismine eşit büyüklükte fakat zıt yönde bir tepki kuvveti uygular. Tekerlekli sandalyede oturan bir kişi karşısındakinin elini iterse, karşısındakinin eli de ona aynı büyüklükte fakat zıt yönde bir kuvvet uygular ve iten kişi de bu kuvvetin etkisiyle geriye doğru hareket eder.
Evrende her etki kuvvetine karşılık eşit büyüklükte ve zıt yönlü olacak şekilde bir tepki kuvveti vardır. Etkileşim hâlinde olan iki cisimden her biri üzerine kuvvet etki eder. Buna göre mekanik kuvvetler çift hâlindedir ve hiçbir mekanik kuvvet tek olamaz.
Etki ve tepki kuvvetleri eşit büyüklükte ve zıt yönde olmalarına rağmen birbirlerini dengelemezler. Çünkü etki ve tepki kuvvetleri aynı cisim üzerinde değil, farklı cisimler üzerine etki ederler. Bu, ünitenin en kritik ayrıntısıdır.
Temas gerektiren ve temas gerektirmeyen kuvvetler; etki-tepki kuvvet çifti oluşturur. Mekanik kuvvetler, iki yüklü cismin elektriksel kuvveti, iki cisim arasındaki kütle çekim kuvveti ve iki mıknatısın manyetik kuvveti bunlara örnektir.
Masanın üzerindeki cisme Dünya, cismin kütlesinden dolayı bir G⃗ kuvveti uygular. Aynı zamanda cisim de Dünya'nın bu etkisine karşı Dünya'ya G⃗′ tepki kuvvetini uygular. G⃗ = −G⃗′ olup bunlar etki-tepki kuvvetleridir.
Masa, aşağıdan yukarıya doğru cisim üzerine N⃗ ile gösterilen bir kuvvet uygular. Bu kuvvet normal (dik) kuvvettir; bir temas kuvvetidir ve cismin aşağı yönlü olan G⃗ ağırlığını dengelemek için gereken büyüklüğe eşittir.
Emniyet kemerinden roket fırlatmaya kadar, günlük hayatın çoğu bu üç cümlenin sonucudur.
Araba aniden durduğunda vücudun eski hızını korumak ister ve öne fırlar. Kemer, eylemsizliğe karşı koyan dış kuvveti sağlar. Aynı sebeple otobüs kalkarken geriye, fren yapınca öne düşersin.
Örtüyü hızla çektiğinde tabaklar yerinde kalır. Çünkü tabaklar durma hâlini korumak ister ve kısa süren sürtünme kuvveti onları harekete geçirmeye yetmez. Kütlesi büyük tabaklarla numara daha kolay tutar.
Halıyı sallayınca halı hareket eder ama tozlar eylemsizlikleri sebebiyle oldukları yerde kalmak ister ve halıdan ayrılır. Ayakkabını yere vurup çamurunu düşürmen de aynı olaydır.
Aynı kuvvetle vurduğun tenis topu ile bowling topu farklı hızlanır: a = F/m. Kütle büyüdükçe aynı kuvvetin kazandırdığı ivme küçülür. Sporcuların "hafif raket" tercih etmesinin sebebi budur.
Yüklü bir kamyonun ışıkta kalkışı boş kamyondan yavaştır; motor aynı kuvveti üretse de kütle arttığı için ivme düşer. Aynı sebeple dolu kamyonun durma mesafesi de uzar.
Çarpışmada hızın sıfırlanma süresi uzatılırsa ivme küçülür, F = m·a gereği vücuda etki eden kuvvet de küçülür. Hava yastığı ve arabanın ezilen ön kısmı tam olarak bunu yapar.
Roket gazı aşağı iter (etki), gaz da roketi yukarı iter (tepki). Uzayda itilecek hava olmadığı hâlde roketin ilerleyebilmesinin sebebi budur — itmek için dışarıda bir şey gerekmez, kendi attığı gaz yeter.
Yürürken ayağın yeri geriye iter; yer de seni ileriye iter. Seni ilerleten kuvvet aslında yerin sana uyguladığı tepkidir. Buzda kayarken yürüyememenin sebebi bu tepkiyi oluşturacak sürtünmenin olmamasıdır.
Kürek suyu geriye iter, su da botu ileriye iter. Ayrıca iskeleden bota atlarken bot geriye kaçar — sen bota kuvvet uygularken bot da sana zıt yönde eşit kuvvet uygular.
18 sorudan oluşan bu test ile "Newton'ın Hareket Yasaları" ünitesini ne kadar kavradığını gör. Her sorudan sonra anında geri bildirim alacaksın.
Net kuvvet sıfırsa duran cisim durmaya, hareketli cisim sabit hızla hareketine devam eder.
Cisimlerin mevcut hareket durumunu koruma isteği. Kütleden kaynaklanır ve maddelerin ortak özelliğidir.
Net kuvvet sıfırdan farklıysa cisim ivmeli hareket yapar. İvme kuvvetle doğru, kütleyle ters orantılıdır.
Kuvvet–ivme grafiğinde doğrunun eğimi cismin kütlesini verir. Kütle sabitken F–t ve a–t grafikleri şekil olarak aynıdır.
Gezegenin cisme uyguladığı çekim kuvveti. Vektöreldir, dinamometre ile ölçülür, birimi Newton'dır.
Dünya'da ortalama 9,81 N/kg; hesap kolaylığı için 10 alınır. Ekvatorda ~9,78, kutuplarda ~9,84 N/kg'dir.
Kütle değişmeyen madde miktarıdır, eşit kollu terazi ile ölçülür. Ağırlık çekim kuvvetidir, gezegene göre değişir.
Her etkiye eşit büyüklükte ve zıt yönde bir tepki vardır. Mekanik kuvvetler çift hâlindedir, hiçbiri tek olamaz.
Etki-tepki eşit ve zıt olsa da birbirini dengelemez; farklı cisimler üzerinde etkilidir. G ve N aynı cisme etki ettiği için etki-tepki çifti değildir.