Isaac Newton uzayda ve Dünya üzerinde gözlenen hareketleri açıklayan hareketin üç yasasını ve kütleçekimi yasasını keşfetti.
Newton’un Birinci Hareket Yasası
Eğer bir şey bir doğru üzerinde tekdüze bir süratle hareket ediyorsa, bu cisim sabit bir hıza sahiptir. Durgun halde, cisim hızı sıfır olan sabit bir hıza sahip olur. Her iki şekilde de, bir dış kuvvet cismin hızını değiştirmek için cisim üzerine uygulanmalıdır. Cisimlerin eğilimi doğrusal hareketi sabit süratle devam ettirmeye yani eylemsizlik şeklindedir. Bu da Newton’un birinci yasası olan eylemsizlik yasasıdır. Başka bir deyişle, Newton’un birinci hareket yasası, bir cisim üzerine etki eden bileşke kuvvet sıfır olduğunda, cisim durgun ise durmaya devam edeceğini, hareketli ise sabit hızla doğrusal hareketine devam edeceğini söyler. Böylelikle açığa çıkan sistem, eylemsizdir ve bu sistem ivmelenmeyen bir sistemdir.
Isaac Newton kütleçekim yasasını ve hareketin üç yasasını keşfeden 17 yüzyılda yaşamış bir İngiliz fizikçiydi. Biz bu yasaları kullanarak Dünya ve göksel cisimlerin üzerinde gözlediğimiz hareketleri açıklıyoruz.
Hızdaki herhangi bir değişim, süratın veya yönün değişmesi, bir ivmedir. Newton’un ilk yasası herhangi bir ivmenin bir kuvvet gerektirdiğine vurgu yapar..
Newton’un İkinci Hareket Yasası
Tüm Newton uyumlu fizik ve klasik mekanik üç temel yasaya dayanmaktadır. Bunlardan biri de Newton’un ikinci hareket yasası veya F=ma.
Newton’un ikinci yasası, Newton’un ufuklar açan çalışması Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica (Principles of Natural Philosophy) ‘da yayınlandı, cisimlerin hareketinin nasıl çalıştığını matematiksel olarak açıklayarak evrene dair bizim temel anlayışımızı değiştiren üç yasasından ikincisiydi.
Bu yasa sık sık basit bir denklemle F=ma olarak ifade edilir. Burada F kuvvettir ve haliyle bir yöne sahip olan bir vektördür, m kütle ve a ise yine bir vektöre sahip olan ivmedir. Başka bir deyişle, bir cisme uygulanan kuvvet cismin kütlesi ile ivmesinin çarpımına eşittir. Yani,
KUVVET = KÜTLE x İVME .
İvmeyi hızdaki değişim olarak hayal etmek daha kolay olabilir.
Newton’un bu ikinci hareket yasası herhangi bir fizikçi veya mühendis için oldukça yararlı ve güçlü bir araçtır. Bu yasa bir dizi hız değişiminden oluşan hareketin klasik mekanikte daha fazla veya daha az herhangi bir şeyin hareketini tanımlamada kullanılır.
Newton’un ikinci hareket yasası, bir cismin ivmesinin o cismin kütlesi ile ters orantılı, o cisme uygulanan net kuvvetle doğru orantılı olduğunu cebirsel olarak ifade eder. Bir cisme etki eden net kuvvet, kütle ile ivmenin çarpımına eşittir. Yani F=ma’dır. Belirli kuvvetlerin etkisinde kalan herhangi bir cismin ivmesini belirlemek için x ve y bileşenleri de önemlidir. Bu nedenle, eğer cisim durgunsa veya sabit hızla hareket ediyorsa o zaman kuvvetler vektörel olarak birbirlerini yok ederler.
Bu yasa kullanıldığında az önce bahsettiğimiz vektörlerin yönünü nasıl alınacağı her zaman önemlidir. Oyuncak bir arabanın masa boyunca itmemizi örnek olarak ele alalım. Oyuncak araba bir m kütlesine sahip ve itmeden dolayı bir F kuvvetine maruz kalmaktadır. Ancak tüm kuvvetler bu tip hesaplamalar için dikkate alınmalıdır: araç aynı zamanda itme kuvvetine zıt yönde bir sürtünme kuvveti (S) tarafından da etkilenir. Bu oyuncak arabanın ivmesini hesaplamak için cebirsel denklemi yeniden düzenlemek gerekir ve böylece ivmeyi sürtünme kuvvetini de dahil ederek hesaplayabiliriz:
F=ma a=F/m haline gelir,
Image: roblz.com / Flickr
Şimdi oyuncak arabaya uygulanan toplam kuvveti net kuvvet olarak adlandıracağız. Tüm kuvvetleri topladığımızda onların yönlerini de hesaba katmamız gerekir. Oyuncak araba için, sürtünme kuvveti S, itme kuvvetinden zıt yönde olduğu için net kuvvet F-S şeklindedir. Dolayısıyla ivme net kuvvet bölü kütle şeklinde ifade edilir:
a=(F-S)/m
Aynı zamanda Newton’un ikinci hareket yasasına göre bir cisme etki eden çekim kuvveti, serbest düşme ivmesi ile kütlenin çarpımıdır. Bir cismin ağırlığı o cisme etki eden çekim kuvvetinin büyüklüğüdür.
Newton’un Üçüncü Hareket Yasası
Newton’un üçüncü hareket yasası oldukça basittir. Her hareket için ona eşit ve zıt yönde bir tepki vardır. Etki ve tepki eylemleri kuvvetler açısından değerlendirilir. Şöyle ki bu yasa, iki cisim etkileşirse, B cisminin A cismine uyguladığı kuvvet, A cisminin B cismine uyguladığı kuvvete eşit ve onunla zıt yönlü olduğunu ifade eder. O hâlde doğada yalıtılmış bir kuvvet mevcut değildir.
Bu yasa bize etki-tepki çiftleri ile ilgili bir anlayış sağlar. Sadece iki cisim bir etki-tepki çiftine sahiptir. Eğer Dünya’nın kütleçekimi sizi çekiyorsa, Newton’un üçüncü hareket yasasına göre siz de Dünya’yı ona göre yukarı çekiyorsunuz demektir. Sizin üzerinize Dünya’nın etkilediği Dünya üzerine sizin etkilediğinizdir. Zemin sizin ağırlığınıza zıt ve eşit bir kuvvet uyguluyor olabilir ama bu Newton’un üçüncü hareket yasasının tepkisi değildir. Burada üç şey söz konusu olur: siz, Dünya ve zemin; yani bu durumda bir etki-tepki çiftinden söz ediyor olamayız. Ancak sadece zemin ve sizi ele alırsak, zemin üzerinde siz ve sizin üzerinizde zeminin bir etki-tepki çifit vardır.
Bu yasa diğer taraftan sıklıkla şöyle ifade edilir “Eğer sen bir şeyi itiyorsan o her zaman seni geri itecektir.”. Kaba bir tabirle, “Sana bir çarparım bir de duvar çarpar” ifadesi de hepimiz için malumdur. Örneğin, bir yol boyunca itilen oyuncak tren zıt yönde etkiyen bir sürtünme kuvveti tarafından “geri itilir” ama kuvvetle aynı şiddette.
Etki-tepki yasası ya da karşılıklı kuvvetlerin yasası için başka bir örneği ele alalım. Havada düşen bir top gibi herhangi bir şeyi düşünelim. Top Dünya’nın kütleçekimi kuvveti ile aşağıya çekilmektedir. Bu yasa, ancak, Dünya’nın topun kütleçekimsel çekimi tarafından yukarı doğru çekildiği anlamına da gelir. Top dediğimiz tenis topu gibi küçük bir şey, Dünya ise onun kaç katı büyüklüğünde bir gezegen ve bu şekilde Newton’un üçüncü hareket yasası saçma görünüyor olmasına rağmen topun Dünya’yı çektiğini söyler. Top tarafından Dünya’nın yukarı çekilme miktarı ile topun aşağıya çekilme miktarı kıyaslandığındaki fark çok küçüktür ve Dünya’nın hareketine göre fark edilmez bu durum.
Newton'un üçüncü yasası. Buz pisti üzerinde iki patenci. Kaynak. Wikipedia
Başka bir iyi örnek uzayda astronotun geri dönüşüdür. Astronot uzay aracından kendini uzağa ittiğinde, uzay aracının kendinden uzaklaşmasından ziyade kendisi neden uzay aracından uzaklaşıyor? Niye tam tersi olmuyor? Uzay aracının hareketi sürtünme ile zıt değildir, uzay aracı eğer iniş alanı üzerinde duruyorsa, yani uzay aracı nasıl sabit kalır?
Cevap ise elbette ki uzay aracı sabit/hareketsiz kalmaz; uzay aracı astronottan uzağa kendisini itecektir ama astronottan daha büyük kütleli olduğu için çok da uzağa gidemeyecektir, halbuki astronot çok daha az kütleye sahip olduğu için kendini daha uzağa hareket ettirebilecektir. Buz pisti üzerindeki birbirlerini iten iki patenciyi düşünelim; eğer onlar aynı kütleye sahiplerse eşit kuvvetle birbirlerini iteceklerdir ve onların ikisi de hareket edemeyecektir.
Gökhan Atmaca, MSc – facebook.com/anadoluca | twitter.com/kuarkatmaca
Kaynaklar:
- Raymond A. Serway, Robert J. Beichner, Fizik 1, Çev. Edi. Prof. Dr. Kemal Çolakoğlu, syf. 110-133, Palme Yayıncılık, 2002.
- Paul A. Heckert, Newton’s Laws for Kids – Overview, http://suite101.com/article/newtons-laws-for-kids-overview-a41283
- Ruth Wake, Newton’s Second Law of Motion, http://suite101.com/article/newtons-second-law-of-motion-a235217
- Ruth Wake, Newton’s Third Law of Motion, http://suite101.com/article/newtons-third-law-of-motion-a235219
