FİZİKTE HIZ VE HAREKET

- Hareket, bir cismin sabit bir noktaya göre yerinin zamana karşı değişimidir. Hareketle ilgilenen bilim sahaları, mekanik ve kinematik olarak sınıflandırılabilir. İlkinde kuvvet ve kütle üzerindeki etkisi incelenirken, ikincisinde, kütlenin konumu, hızı gibi nitelikler incelenir.

- Hareketle ilgili en temel kanunlar, Newton'un hareket kanunları olarak adlandırılan Isaac Newton tarafından hareket eden bir cismin davranışlarının incelenmesi ile elde edilmiş olan kanunlardır. Bu kanunlar aynı zamanda klasik mekanik kuramlarının temelini oluşturur.

Newton'un I. hareket kanunu (Eylemsizlik) : Bir cisme etki eden net bir kuvvet yoksa, o cisim durur ya da sabit hızla doğrusal hareket yapıyorsa bu hareketine devam eder. Newton'un II. hareket kanunu: Bir cismin momentumunun zamana karşı değişimi , cisme etki eden net kuvvet ile orantılı ve aynı yöndedir. Şu şekilde denklemsel olarak ifade edilebilir.(P: momentum ; t: zaman ; F: kuvvet ; M: kütle ; V: hız ; a: ivme)

Newton'un III. hareket kanunu (Etki-Tepki) : Evrendeki tüm kuvvetler birbirine eşit ve zıt yönlü çiftler halindedir. Yani bir cisim üzerine etki etmekte olan her harici kuvvet için ona eşit ve zıt yönde bir kuvvet bulunmaktadır.

Newton'un geliştirdiği kütlenin konumu ve kütlelerin birbirleri ile münasebetini formüle eden bu yaklaşım daha sonra Euler tarafından bir kütlenin iç hareketlerini de inceleyecek şekilde geliştirilmiştir. Süreklilik mekaniği olarak adlandırılan bu sahada iki boyutlu vektörler yerine, matris şeklinde ifade edilen tensörler kullanarak hareket formüle edilir. Tensörler, seçilen teğet düzleminin konumuna gore değişen çokluklardır. Euler, Stokes, Navier-Stokes denklemleri süreklilik mekaniği kullanılarak geliştirilen denklemlerden ilk akla gelenlerdir. Navier-Stokes akışkanlar mekaniği olarak anılan sahanın temel denklemidir. Hava, su gibi ağdalı (viscosity) veya ağdasız akışkanlara ait hesaplamalar bu denklemler yardımı ile son derece sağlıklı olarak yapılabilmektedir.

Ortalama Hız         Hızın bir vektör olduğu bilindiğinden, ortalama hız, bir nesnenin başlangıç noktasından bitiş noktasına kadar yer değiştirmesinin zamana bölümü ile bulunur. Cisimler yer değiştirirken belirli bir süre geçer. Bu nedenle birim zamanda yapılan yer değiştirmeye hız denir.  Formül olarak ifade edecek olursak; Hız     = Yer değiştirme / Geçen süre                     Sabit Hızlı Hareket         Bir doğru boyunca, eşit zaman aralıklarında eşit miktarda yer değiştiren cisim sabit hızlıdır. Böyle bir cismin hareketine sabit hızlı hareket veya düzgün doğrusal hareket denir.   Zaman

İvme (Hız Değişimi)         Cisimlerin hareketleri her zaman sabit hızlı hareket biçiminde olmaz. Gidilen yolun durumuna göre bazen hızlanma bazen de yavaşlama olur. Eğer cisim gittikçe hızlanıyorsa, hızın değeri zamanla büyürken, yavaşlayan cisimlerde hız küçülür. Buna göre, hızlanan cisim bir an öncesinden daha çok yol almaya, yavaşlayan cisim de daha az yol almaya başlar.  İvme, hızın birim zamandaki değişim miktarı olarak tanımlanır. t1 anındaki hız V1 iken, t2 anındaki hız V2 olan bir cismin ivmesi DV = V2 - V1 ve bu hız değişimi içen geçen süre Dt = t2 - t1'dir. Hızın birim zamandaki değişimi yani ivme ise şu şekilde formülleştirilir a = DV / Dt. İvmenin birimi ise m/s2'dir.

Hızlanan Hareket Yukarıdaki şekli incelediğimizde, araba ilk 5 saniyede ortalama 5 m/s hızla giderken, 10. saniyeden sonra hızını 10 m/s ye çıkarmış, 15. saniyeden sonra ise hızı 15 m/s olarak belirlenmiştir. Bu duruma göre aracın hızlanan hareket yaptığı söylenir. Yukarıda verilen şeklin hız zaman grafiğini çizecek olursak şu şekil ortaya çıkar: Şekilde de görüldüğü gibi hız zamanla artmaktadır. Araç 5. saniyede 5 m/s hızla ilerlerken, 10. saniyede 10 m/s, 15. saniyede ise 15 m/s hıza ulaşmaktadır. Yani araç zamanla hızını artırmakta ve düzgün hızlanan hareket yapmaktadır.

Şekilde de görüldüğü gibi hız zamanla artmaktadır. Araç 5 Şekilde de görüldüğü gibi hız zamanla artmaktadır. Araç 5. saniyede 5 m/s hızla ilerlerken, 10. saniyede 10 m/s, 15. saniyede ise 15 m/s hıza ulaşmaktadır. Yani araç zamanla hızını artırmakta ve düzgün hızlanan hareket yapmaktadır. Her zaman aralığı için ivmeleri bulmak için kullanılacak formül a = V / t dir. Yapılacak işlemler sonrasında a1, a2, a3 için ivmelerin 1 m/s2 olduğu bulunmuştur. Aşağıdaki tablo İvme-Zaman grafiğine ilişkin bilgileri vermektedir. Her zaman aralığı için ivmeleri bulmak için kullanılacak formül a = V / t dir. Yapılacak işlemler sonrasında a1, a2, a3 için ivmelerin 1 m/s2 olduğu bulunmuştur. Aşağıdaki tablo İvme-Zaman grafiğine ilişkin bilgileri vermektedir.

Yavaşlayan Hareket Bir cisim yavaşladığında hızı azalır. DV hız değişimi (-) işaretini alacağından cismin ivmesi de (-) olur. Yani cismin ivmesi azaldığından cisim düzgün yavaşlayan hareket eder. Kuvvet, cisimlerin hızını değiştiren etkidir. Fakat bir kuvvet, her cisimde aynı zamanda aynı hız değişimini gerçekleştirmez. Aynı büyüklükteki iki kuvvetten birisi bir sandalyeye diğeri futbol topuna aynı süre etki ettiğinde top sandalyeye göre daha fazla hız kazanacaktır. Yani sandalye küçük ivme kazanırken top büyük ivme kazanmış olacaktır. Cisimlerin kazandıkları ivme, hem cisme etki eden kuvvetin büyüklüğüne hem de cismin cinsine bağlı olarak değişiklik gösterir. Kuvvet etkisi ile hareketlenen cisimlerin ivmeleri aynı olduğunda büyük kütleli cisme etkiyen kuvvet daha büyüktür. Newton'un III. Hareket Yasası (Etki-Tepki Yasası) Eğer bir cisme herhangi bir büyüklükte bir kuvvet etkirse, cisim de bu kuvvete eşit fakat zıt yönde bir tepki gösterir. Burada ortaya çıkan etki-tepki kuvvetlerinin büyüklükleri eşittir fakat yönleri birbirine terstir.

SÜRTÜNME KUVVETİ Bir cismi farklı yüzeylerde hareket ettirmenin, cismin hareketinde değişiklikler yaptığını günlük yaşantımızdan bilmekteyiz. Pürüzlü, kaygan veya cilalı yüzeylerde aynı cismin hareketi farklı farklı olmaktadır. Cam üzerinde bir cisim daha kolay hareket ederken tahta üzerinde hareket etmesi daha zordur. Cismin hareket ettiği yüzeyin pürüzlü olması, cismin harekete geçmesini zorlaştırırken, düz veya pürüzsüz yüzeylerde aynı cisim daha kolay harekete geçer. Bu nedenle halı, tahta, taşlı zemin gibi yüzeylerde cismi harekete geçirmek için gerekli olan kuvvet; cam, asfalt, yağlı zemin gibi yüzeylerdeki aynı cismi hareket ettirmek için gerekli olan kuvvetten daha büyüktür. Yani cismin temas ettiği yüzeyin pürüzlüğü arttıkça, cismin harekete geçmesi için gerekli olan kuvvete artmaktadır.

Şekilde olduğu gibi iki traktör yolda gitmektedirler Şekilde olduğu gibi iki traktör yolda gitmektedirler. Bu traktörlerden bir tanesi asfalt yolda giderken diğer taşlı bir yolda gitmektedir. Taşlı yolda giden traktörle düz yolda giden traktörün aynı hızda gitmeleri için taşlı yoldaki traktörün daha fazla kuvvet kullanması gerekmektedir. Bir zemin üzerinde bulunan bir cismi harekete geçirmek için, yüzeyin cisme uygulanan hareketin zıt yönünde oluşan sürtünme kuvvetinden daha büyük bir kuvvete gereksinim vardır. Aksi taktirde uygulanan kuvvet cismin sürtünme kuvvetinden daha küçük veya eşitse cisim harekete geçmez. Sabit hızla hareket eden bir cisme etkiyen sürtünme kuvveti ile harekete geçirici kuvvetin bileşkesi sıfırdır. Çünkü cismi harekete geçirici kuvvet ile sürtünme kuvveti ters yöndedir. Bu bilgilerden hareketle; cisimler hareket ederken temas ettikleri yüzeylerin sürtünmesinden kaynaklanan ve yer değiştirmeye zıt yönde ortaya çıkan kuvvete sürtünme kuvveti denir.

Sürtünme Kuvvetinin Bağlı Olduğu Etkenler a) Yüzeyin pürüzlü olması Cismin hareket edeceği yüzeyin pürüzlü olması cismin hareketinde önemlidir. Pürüzlü yüzeylerde cisimlerin hareket etmesi için daha büyük kuvvete ihtiyaç vardır. Bütün yüzeylerde mutlaka pürüz vardır. Cisimler birbiri üzerinde hareket ederken, yüzeylerindeki girinti ve çıkıntılar birbirinin içerisine girerek cismin hareket etmesini güçleştirirler. Cilalı yüzeylerde bu girinti-çıkıntılar daha az olduğundan sürtünme kuvveti de o oranda azdır. Bu nedenle pürüzlü yüzeylerin yağlanması ile bu girintiler azaltılarak daha az sürtünme kuvveti uygulaması sağlanabilir. b) Cismin ağırlığı Bir cismin ağırlığı arttığında cismin ve yüzeyin girinti-çıkıntıları daha fazla birbiri içine gireceğinden sürtünme de artar. Yani cismin hareketini engelleyen kuvvetin büyüklüğü de artar. Cismin hareket etmesini engelleyen bu kuvveti yenmek için, bu kuvvetten daha büyük bir kuvveti cisme uygulamak gerekir.

Sürtünme Kuvvetinin Etkileri Sürtünme kuvveti, cisimlerin yüzeyde tutunmasına yardım eden bir etkendir. Eğer sürtünme kuvveti var olmasaydı birçok yaşamsal faaliyet mümkün olmazdı. Yolda yürüyemez, bir yerde oturamaz, yemek yiyemez, yazı yazamaz, araç kullanamazdık. Örneklerde de görüldüğü gibi her türlü hayati olayın gerçekleşmesinde sürtünme kuvvetinin etkisi vardır. Araba örneğini biraz açacak olursak, yolda hareketine başlayan bir aracın durması sürtünme kuvvetinin etkisi ile oluşmaktadır. Bu kuvvet olmasaydı frenler tutmayacağı için araba sürekli hareket ederdi. Buzun sürtünme kuvvetinin toprak veya asfalta göre daha düşük bir sürtünme kuvveti olduğu bilinmektedir. Kışın buzlu yollarda araçlar daha fazla kaymakta ve frenlerin etkisi daha az olmaktadır. Bu nedenle kışın meydana gelen kazalar, diğer zamanlara göre daha fazla olmaktadır. Bu nedenle kışın buzun erimesi için tuz kullanılması (suyun donma sıcaklığını düşürür) veya toprak atılması bu sürtünme kuvvetini artırmak içindir.

Sürtünme kuvvetinin hayatımızı kolaylaştıran çok büyük etkilerinin yanında günlük yaşantıda işleri zorlaştırdığı da bilinmektedir. Çünkü sürtünme kuvvetini yenerek, cisimleri harekete geçirmek için daha büyük kuvvet kullanılması gerekir. Ve büyük yükleri, sürtünme kuvveti nedeni ile kas gücümüzle hareket ettiremeyiz. Bundan dolayı çeşitli makineler kullanarak bu yükleri hareket ettiririz. Makineler çalışırken, içerisindeki parçalar birbirine sürtünürler. Sürtünen bu parçalar zamanla aşınarak kullanılmaz hale gelirler. Makinelerin yıpranmasını engellemek için sürtünme kuvvetini düşürücü önlemler almak gerekir. Yani sürtünme kuvvetinin çok büyük yararları olmakla beraber bazı zorlukları da vardır.

Sürtünme Kuvvetini Artırmak ve Azaltmanın Yolları    Sürtünme kuvvetinin, bir olayın gerçekleşmesi için yetersiz kaldığı durumlarda alınması gereken tedbirler vardır. Bunlardan bazılarını sıralayacak olursak; a) Kışın araba lastiklerine zincir takılması, b) Sporcuların ayakkabılarının altına dişler yapılması, c) İş makinelerinin tekerlerinde dişlerin daha büyük yapılması, d) Büyük kütlelerin altına tekerlek tipinde cisimlerin konulması, e) Makinelerin yağlanması, f) Dik yokuşlarda ulaşımı kolaylaştırmak için önlemler alınması,