Temel Bilgiler: Newton Yasaları Geçerlidir

Kuvvet: itme ve hareketin anlaşılmasında temel kavram.

Yukarıda Newton Sarkacı, Momentin Korunumu Yasasına iyi bir örnektir. Bir uçtaki top sallanarak ortada duran toplara çarptığında, bu toplar hareketsiz kalırlar ve diğer uçtaki top hareket eder.

Bu yüzyılda, kuvvet ve moment kavramlarını radikal olarak ele almayı gerektiren iki devrim olmuştur. Einstein’in genel görelilik yasasını ortaya çıkarması ve Bohr ve arkadaşlarının kuantum mekaniği kurallarını önermelerinden önce, sanayi devrimini ortaya çıkaran tüm makine ve teknoloji, 1600’lerde Sir Isaac Newton tarafından formüle edilen üç temel yasaya dayanmaktaydı. Görelilik ve kuantum mekaniği Newton yasalarına ters düşmezler, yalnızca, gerçek dünyada aralarında yaşadığımız cisimlerin mekaniğiyle uğraşabildiğimiz gibi atom mekaniğiyle de uğraşabilmemiz için, bu yasaları biraz derinleştirmişlerdir.

Newton Yasaları

Temel biçimlerinde ifade edildiğinde, Newton yasaları insanı aldatacak kadar basit görünür. Örneğin, ilk yasa şöyle der, “Durmakta olan ya da sabit bir hızla düz bir çizgi üzerinde hareket etmekte olan bir cisim üzerine etki eden bir kuvvet olmadıkça bu durumda kalmayı sürdürür“. Fakar bu yasa da tanımlanan hareket, dünya yüzünden asla görülemez. Bunun nedeni, hepimizin bildiği gibi, sürtünme kuvvetlerinin dünyada hareket halinde olan şeyleri eninden sonunda durduracağıdır. Buna örnek olarak, bir tekerleğin yol ile, arabanın hava ile, pistonun silindir duvarı ile sürtünmesini verebiliriz. Newton, eğer tüm sürtünme kuvvetleri yok edilebilirse (dünyada bunun olmasına olanak yoktur), sabit bir hızla hareket etmekte olan bir cismin, bir kuvvet onu durduruncaya kadar sonsuz olarak bu hareketi sürdüreceğini söylemektedir. Bu yasadan hareket ederek çok sayıda gözlem yapılmıştır. Uzay gemilerinin hareketleri ve sürtünme kuvvetlerinin tam olarak bilindiği ortamlardaki pek çok makinenin öngörülen davranışlarının esasları, Birini Yasa sayesinde anlaşılabilir.

Newton’un İkinci Yasası, bir cisim üzerinde herhangi bir kuvvet (çekme ya da itme) uygulandığında ne olduğunu açıklar. “Belli bir cismin ivmesi, onun üzerinde etki eden kuvvetle doğru orantılıdır“. Eğer birimlerimizi doğru seçersek, bu yasa tam olarak söylenebilir: Kuvvet = Kütle x İvme.

Bu basit ilişki, ivme kazanmış bir cisim üzerinde etki eden bir kuvveti, iki başka özellik cinsinden tanımlayarak, üzerlerinde çeşitli kuvvetlerin uygulandığı farklı hızlardaki cisimlerin hareketlerine ilişkin çeşitli denklemler kurmamızı sağlar. Örneğin, bir silahtan ateşlenen bir merminin izlediği yolu hesaplayabiliriz. Mermi, Dünya’nın yerçekimi nedeniyle sabit bir kuvvetin etkisinde kalır, ama silahın namlusundan çıktığında belirli bir hızı vardır. Uçuşu sırasındaki hava sürtünmesinin yarattığı kuvvetler de göz önüne alınarak yapılan birkaç sayfa hesaptan sonra, yere ineceği noktayı tam olarak hesaplayabiliriz. Bu tür hesaplamaları daha da ileriye götürerek, gezegenlerin yörüngelerini de hesaplayabiliriz. Ay’a iniş için yapılan uzun hesaplamalar da temelde Newton’un İkinci Yasasına dayanmaktadır.

İkinci Yasa, ayrıca, bir cismin kütlesi ve ağırlığının farklı şeyler olduğunu da gösterir. Kütle, belirli bir cisme ait sabir bir değerdir ve o cismin ivmeye (veya eylemsizliğe) karşı olan direncinin ölçüsüdür. Bu cisme ivme kazandırılmasının ya da hızının değiştirilmesinin zorluk derecesini gösterir. Ağırlık ise, Dünya’nın yer çekiminin ortaya çıkardığı bir kuvvettir. Bir cismin içinde bulunduğu çekim alanının şiddetine olursa olsun, kütlesi değişmez ve üzerine belirli bir kuvvet uygulandığında ne kadar ivme kazandığı izlenerek kolayca ölçülebilir. Ama bir kilogramlık bir kütleyi Ay’a götürdüğümüzde, ağırlığı yalnızca bir kilogramın altında biri kadar olacaktır. Üzerine etki eden çekim kuvveti ve serbest bırakıldığında Ay’ın yaratacağı ivme, Dünya’dakinin altında birine eşit olacaktır. Kütle ve ağırlık, yalnızca Dünya üzerinde birbirine eşittir.

Newton’un Üçüncü Yasası, köprüler, yollar, barajlar ve diğer karmaşık hareketsiz yapıları kurmamızı sağlayan statik bilimin temelidir. Bu yasa, bir roketin nasıl kalktığını ve hatta, bir silahın, ateşlendiğinde neden geri teptiğini açıklar. “Her etkinin, eşit miktarda ve ters yönde bir tepkisi vardır“. Bu yasayla bir cisim üzerinde etki eden kuvvetleri anlayabiliriz. Örneğin, bir masa üzerinde duran bir elma, iki kuvvetin dengelenmesi sayesinde sabit kalmaktadır. Dünya’nın aşağıya doğru çekimi ve masanın yukarıya doğru itmesi ya da direnci.

Üçüncü Yasanın iki cismin çarpışması durumuna uygulanması, bizi önemli sonuçlara götürür. Tüm çarpışma süresi boyunca, iki cismin üzerinde oluşan her yöndeki kuvvetlerin tümü eşit ve ters yöndedir. Dolayısıyla, kütleleri farklı olan iki cisim çarpıştığında, kütlesi büyük olan, diğerinde daha az ivme kazanacak ve bu nedenle herhangi bir yöndeki hızı daha az olacaktır.

Moment

Hareket denklemlerinin matematiksel kullanımı ve Üçüncü Yasanın uygulanması, bizi moment kavramına götürür.

Bir cismin momenti, kütlesi x belirli bir yöndeki hızı olarak tanımlanır. Newton’un Üçüncü Yasasını şu şekilde de söyleyebiliriz: “Birbiriyle etkileşim içinde bulunan iki cismin, her yöndeki momentlerininin toplamı sabittir“. Yasa, bu şekilde ifade edildiğinde, momentin korunumu ilkesi halinde gelir ve çarpışma kuramının temelini oluşturur.