KUVVET VE HARAKET

Duran bir cismi harekete geçirebilen, hareket etmekte olan bir cismi durdurabilen, cisimlerin hızını ve şeklini değiştirebilen etki. Kuvvet, vektörel bir büyüklüktür. Fiziğin ençok kullanılan kavramlarından biri olup, kendisi ancak tesiri ile anlaşılır. Günlük hayâtımıza o kadar girmiştir ki, bunu aşıp bir genel tarif vermek zordur.

Newton’un ikinci kânunu “Bir cismin ivmesi, cisme etkiyen dış kuvvetlerle orantılıdır.” şeklinde ifade edilir. Formül olarak F kuveti, a ivmeyi ve m kütleyi göstermek üzere F=m.a şeklindedir. MKS sisteminde 1 kilogram’lık kütleye 1 m/sn2’lik ivme veren kuvvet “1 Newton” olarak isimlendirilir. CGS sisteminde ise, 1 gramlık kütleye 1 cm/sn2’lik ivme veren kuvvete “dyn” (din) denir.

Kuvvet ilk defa, hareketin sebebinin araştırılması sonucu ortaya çıkmıştır. Kuvvet kavramını oldukça eskiye dayandırmak mümkündür. Ancak Aristo, hareketle kuvvetin ilişkisi üzerinde durmuş, ağırlığı, cismi tabiî konumuna getirmek için etkiyen tesir olarak târif etmiştir. Kuvvet üzerinde araştırma yapan bilginlerden biri de Yakub ibni İshak el Kindî’dir. Bu Müslüman âlim, 9. yüzyılda Irak’ta Halife el-Me’mun (813-833) ve el-Mu’tasım zamanında yaşamış ve tesiri çok büyük olmuştur. Med ve Cezir kitabında, kuvvetin bir ortam içerisinde yayılmasına âit bilgiler mevcuttur.

Galile, mekanik ile uğraşmışsa da açık bir kütle tarifi, statik ve dinamiğe uygulanabilecek bir matematik kuvvet tarifi vermekten uzak kalmıştır. Ancak Newton’un kanunlarına ilk adımı Galile atmıştır. Kepler de, gezegenlerin hareketini gözetleyip, ilgili kuralları tesbit ederek, kütle çekimi kanununun belirlenmesine sebep olmuştur.

Kuvvetin modern tarifini Newton’un “Principia”sında bulmak kâbildir. Dinamiğin ikinci kanunu, kuvveti açık bir şekilde tarif eder. Üçüncü kanunu her etkinin bir zıt tepki doğurması da kuvveti açıklamaktadır. Newton’un çekim kanunu pek çok tenkide uğradıysa da fizikî olayları açıklaması yönünden çok başarılıydı. Daha sonra Michael Faraday, kuvvet alanı ve kuvvet çizgileri kavramlarını getirdi. Buna göre, her noktaya bir kuvvet karşı getirilebiliyorsa, “kuvvet alanı” tarif edilmekteydi. Kuvvet vektörlerine teğet olan eğrilere de “kuvvet çizgileri” ismi verilir. Einstein, 1905’de ortaya koyduğu “Özel İzafiyet Teorisi” ile hiç bir alanın ışıktan daha hızlı yayılamayacağını göstererek, kuvvet alanlarına da bunu dâhil etti.

Fizikte kuvvet kavramı: Fizikte, kuvvet bir büyüklük olarak alındığından ölçülmesi önemli bir yer tutar.

Kuvvetin ölçülmesi: Kuvveti ölçen aletlerden en yaygını terâzidir. Bunlar, çekmeli olabildiği gibi, burulmalı da olur. Bu aletlerde belli bir kuvvete göre ölçek düzenlenir. Ölçülen kuvvetler, bu kuvvetin katları olarak belirlenir.

Kuvvet birimleri: Kuvvet gibi ölçülebilen büyüklükler, standart birimlerle ifade edilebilir. Genel olarak iki çeşit birim sistemi, dolayısıyla üç kuvvet birimi kullanılır: Metre-Kilogram-Saniye (mks) sisteminde kuvvet birimi Newton’dur. Santimetre-Gram-Saniye “cgs” sisteminde ise kuvvet birimi (dyn) dir. Bunların katları da kullanılır. Her iki sistemin de kolaylık sağladığı yerler vardır.

Kuvvetin bileşkesi: Kuvvetler ölçülürken, sadece şiddeti değil doğrultu ve yönü de dikkate alınır. Doğrultu, yön ve şiddeti ile belirlenen büyüklüklere vektörel büyüklük denir. İki veya daha fazla kuvvete maruz kalan bir cisimde, bu kuvvetleri toplayıp ortaya tek bir bileşke kuvvet çıkarılabilir. Bu tür toplamaya vektör toplaması denir. Bileşke kuvveti bulmak için üç çeşit yol bulunmaktadır: Bunlardan ilk ikisi grafik yolla, üçüncüsü basit cebir işlemlerle analitik olarak yapılır. (Bkz. Bileşke)

Kuvvetler ve denge:

Öteleme dengesi: Birden fazla kuvvetin etki ettiği bir cismin dengede durması için etkiyen kuvvetlerin bileşkesinin sıfır olması gerekir. Ancak bileşkenin sıfır olmasına karşılık, cisim dengede olmayabilir ve sabit bir hızla bir doğru üzerinde hareket etmekte olabilir. Bu iki durum arasındaki tek fark, referans sisteminin farklı seçilmesidir. İkinci durumda hızın yönü ve değeri sabittir. Buna düzgün hareket de denir.

1687’de Newton, yazdığı Principia adlı eserinde kendi ismiyle bilinen bu konuyla ilgili ilk kanunu “Her cisim dengesine veya bir doğru üzerindeki düzgün hareketine bir kuvvet etki edinceye kadar devam eder.” şeklindedir. Bu deneyler ve gözlemler sonucu elde edilmiştir.

Dönme dengesi: Newton’un ilk kanunu dönme hareketi için de geçerlidir. Yani sabit hızla dönen bir cisim bir etkiye maruz oluncaya kadar dönmesine devam eder. Öteleme hareketinde kuvvet ne ise, moment de burada benzer durumdadır. Bir kuvvetin momenti, o kuvvetin şiddeti ile dönme eksenine olan dik uzaklığın çarpımına eşittir. Dönme hareketinde bir momentin mevcudiyeti, dönme hızının artmasına sebep olur.

Kuvvet türleri: Beş türlü etkinin kuvvet ortaya çıkardığı bilinmektedir.

Kütle çekim kuvveti: Deney ve gözlemlere dayanan bu kuvvet, Johannes Kepler tarafından F= km1m2/r2 olarak ifade edilmiştir. Burada m1 ve m2 sözkonusu olan iki cismin kütlelerini k orantı katsayısını ve r de aradaki mesafeyi göstermektedir.

Coriolis kuvveti: Dönen bir referans sisteminde, hareket eden cisme tesir eden kuvvettir. İlk defa Fransız matematik ve fizikçiGaspard Gustave de Coriolis tarafından bu kuvvetler için tatmin edici bir açıklama getirilmiştir. Coriolis, mekanik konusunda pek çok yazı yazmıştır. Bilardo topunun hareketini açıklayan makalesi meşhurdur. İş ve kinetik enerjinin modern tariflerini vermiştir.

1835’de yazdığı yazıda, havaya düşey atılan bir topun dönen dünyanın merkezine olan mesafesi büyüyecektir. Tekrar yerine düşmesinde atıldığı noktanın aynı zaman aralığında aldığı mesâfeden daha büyük bir yay boyunca hareket eder. Bu, topun bir çeşit ivmelendirilmiş olması gerektiği ve dolayısıyla kuvvet etkisi altında bulunduğunu gösterir. Bu kuvvetlere “Coriolis kuvveti” denir. Bu tür kuvvetler, meteorolojide ve okyanus biliminde önemlidir. Genel olarak dönen bir referans sisteminde hareket eden cismin yörüngesine dik olarak etki eder. Bunlar görünen zahiri kuvvetlerdir. Meselâ; dönen bir plak üzerine düz bir çizgi eğri şeklinde belirir. Eğer plak ortasında bir gözleyici bulunursa, o kimse tepesinin bir kuvvetle kenara doğru itildiği zannına kapılır.

Benzer olay, dünyâ gibi üç boyutlu dönen bir sisteme nazaran hareket ettiğinde müşâhede edilir. Rüzgâr ve okyanus akımlarında bu kuvvetin etkisi görülür. Yörüngelerine dik hareket etme eğilimi gösterirler, bu kuvvetler uzun menzilli füzelerin yörüngelerinin hesaplanmasında önemli rol oynar.

Elektronik kuvvetler: Bunlar elektromağnetik etkileşim sonucu ortaya çıkar. Bunlardan “elektrostatik kuvvet” F, iki elektrik yüklü cisimler arasında ortaya çıkar. Bu kuvvetin ifadesi, “Coulomb kanunu” olarak bilinir. F= kq1q2/r2 olarak ifade edilir. Burada, q1 ve q2 cisimlerin elektrik yükünü, “k” orantı katsayısını ve “r” de aradaki mesâfeyi göstermektedir. Elektrik yüklerinin aynı işârette veya farklı işârette olmasına göre kuvvet, itme veya çekme kuvveti olarak ortaya çıkar.

Elektrostatik kuvvetler: Yakın bir şekilde mağnetik kuvvetlerle ilgilidirler. Elektrik yüklerinin birbirlerine göre hareket halinde bulunmasıyla mağnetik kuvvetler ortaya çıkar. Gerçekte elektromağnetik kuvvetler, tamâmen gözleyenin seçtiği referans eksenine bağlıdır. Modern fizikte, elektromağnetik etkileşim, en açık anlaşılan türden bir etkileşimdir.

Nükleer kuvvetler: İki tür nükleer kuvvetin varlığı söz konusudur. Bunlardan “kuvvetli” olanlar atom çekirdeğindeki proton ve nötronları birbirlerine bağlar. “Zayıf” olanlar ise nükleer ve parçacık bozulmalarında rol oynarlar. Bu iki tür kuvvet, diğerlerine nazaran daha az anlaşılmıştır.