Kuvvet ve Hareket

Kuvvet ve hareket kavramları fizikte birbiriyle ilişkili şekilde incelediğimiz kavramlardır. Kuvvet, basitçe iki cisim arasındaki etkileşim olarak tanımlanırken hareket, bir cismin bir zaman aralığında yer değiştirmesidir.

Bu yazımızda, kuvvet ve hareket kavramlarının ne olduğunu, kuvvet çeşitlerini ve hareket çeşitlerini inceleyerek kafanızda oluşabilecek soruları cevaplamaya çalışacağız.

Kuvvet nedir?

Yazının girişinde de tanımladığımız gibi, kuvvet iki cisim arasında gerçekleşen etkileşimdir. Duran bir cismi hareket ettiren, hareket eden bir cismi durduran veya yavaşlatan, hareketin yönünü değiştiren, cisimler üzerinde şekil değişikliği yapabilen etkiye kuvvet denir. Durgun haldeki bir cismi harekete geçirebilmek için ona bir kuvvet uygulamamız gerekir ya da boş bir kola kutusuna kuvvet uyguladığımızda onun şeklini değiştirebiliriz. Kola kutusunun uygulanan kuvvet etkisiyle şekil değiştirmesine kuvvetin şekil değiştirme etkisi adını veririz.

Kuvvet kavramını temas gerektiren kuvvetler ve temas gerektirmeyen kuvvetler olarak iki başlık altında inceleyebiliriz.

Temas gerektiren kuvvet nedir?

Temas gerektiren kuvvet, iki cisim birbirine etki ederken temas halindeyse aralarındaki kuvvete temas gerektiren kuvvet denir. Günlük hayatta temas gerektiren kuvvetlere itme veya çekme kuvvetini örnek gösterebiliriz. Örneğin, odanızdaki masanın yerini değiştirmek için masayı iterek ya da çekerek hareket ettirirsiniz. İşte bu itme ve çekme eylemi temas gerektiren kuvvetlere örnektir.

Temas gerektirmeyen kuvvet nedir?

Temas gerektirmeyen kuvvet, iki cismin birbirine dokunmadan etkileştiği kuvvet çeşididir. Bu kuvvetlerin bir diğer ismi de alan kuvvetidir. Kütle çekim kuvveti, elektriksel kuvvet ya da manyetik kuvvet temas gerektirmeyen kuvvetlere örnektir. Örneğin, elimizdeki bir cismi yere bıraktığımızda yere düşeceğini biliyoruz çünkü bir yer çekimi kuvveti var. İşte bu yer çekimi kuvveti temas olmadığı halde cismi kendisine çekebiliyor.

Bir diğer örnek olarak da mıknatısları inceleyebiliriz. İki mıknatısın aynı kutbunu birbirine doğru yaklaştırdığımızda bir itme kuvveti, zıt kutuplarını yaklaştırdığımızda ise bir çekme kuvveti hissederiz. Burada da yine temas gerektirmeyen kuvvet ya da alan kuvvetinin örneğini görmüş oluruz.

Doğadaki dört temel kuvvet nedir?

Kuvvetleri temas gerektiren ve gerektirmeyen kuvvet şeklinde ikiye ayırdık. Ancak aslında doğada keşfedilen toplamda dört adet temel kuvvet vardır. Bu kuvvetlerin tamamı temas gerektirmeyen kuvvet, yani alan kuvvetidir. Bu kuvvetler:

1. Kütle çekim kuvveti
2. Elektromanyetik kuvvet
3. Güçlü çekirdek kuvveti
4. Zayıf çekirdek kuvveti

olarak listelenebilir. Şimdi bu kuvvetleri detaylıca inceleyelim.

Kütle çekim kuvveti nedir?

Kütlesi olan iki cisim arasında her zaman bir çekim kuvveti mevcuttur. Her iki cisim de birbirini zıt yönlü bir kuvvetle çeker. Yer çekimi kuvveti de, gezegenlerin ve uyduların bir arada durması da kütle çekim kuvveti sayesinde oluşur. Kütle çekim kuvvetinin sonsuz bir menzili vardır. Peki bu ne demek?

İki cisim birbirinden ne kadar uzak olursa olsun, aralarında mutlaka bir kütle çekim kuvveti mevcuttur. Bu kuvvetin şiddeti, birbiriyle etkileşim halinde olan cisimlerin kütleleri ve aralarındaki mesafenin karesiyle ilişkilidir. Cisimlerin kütleleri artarken, kütle çekim kuvveti de artar. Öte yandan aralarındaki mesafe artarken kütle çekim kuvveti, bu mesafenin karesiyle orantılı şekilde azalır.

Yukarıdaki şekilde, kütleleri M₁ ve M₂ olan iki gezegen, bu iki gezegenin birbirine uyguladığı kütle çekim kuvvetleri ve aralarındaki mesafe (r) gösteriliyor. Bu durumda, kütle çekim kuvvetini aşağıdaki formülle ifade ederiz:

Bu denklemde G harfi ile gösterdiğimiz değer kütle çekim sabiti olarak adlandırılır ve değişmeyen bir değerdir.

Kütle çekim kuvveti, dört temel kuvvet arasında şiddeti en küçük olan kuvvettir.

Elektromanyetik kuvvet nedir?

Elektromanyetik kuvvet, elektrik kuvvet ve manyetik kuvvetin birleştirilmiş halidir. Yukarıda verdiğimiz mıknatıs örneğinde gözlemlediğimiz itme ve çekme kuvvetini hatırlayalım. İki mıknatıs arasındaki bu kuvvete manyetik kuvvet adını vermiştik.

Elektrik kuvvet ise elektriksel yüklerin birbirini itip çekmesine verilen isimdir. Elekrik kuvvet sayesinde cisimler elektriksel yük özelliğinden dolayı birbirilerini iter veya çeker. Atomların ve moleküllerin bir arada durmasını sağlayan, protonlar ile elektronlar arasındaki kuvvet elektriksel kuvvettir. Yani bir atomda elektronların çekirdek etrafında dönmesini sağlayan kuvvettir.

Kütle çekim kuvvetinde olduğu gibi elektrik kuvvetinin de sonsuz bir etki alanı vardır. İki elektriksel yük, uzaklıkları ne kadar olursa olsun aralarında her zaman bir kuvvet mevcuttur. Aynı yüklü parçacıklar birbirini iterken, zıt yüklü parçacıklar arasında çekim kuvveti oluşur.

Elektromanyetik kuvvetin şiddeti, kütle çekim kuvvetine kıyasla çok daha büyüktür.

Güçlü çekirdek kuvveti nedir?

Bir atomun çekirdeğinde proton dediğimiz pozitif yüklü parçacıklar ile nötron dediğimiz yüksüz parçacıklar bulunur. Bu parçacıklar, çekirdekte bir arada tutulabiliyor. Peki şimdi düşünelim. Elektriksel kuvvetten bahsederken, aynı yüklü parçacıklar birbirini iter demiştik. Öyleyse protonlar birbirini itmesine rağmen nasıl çekirdekte bir arada kalabiliyorlar?

Çünkü güçlü çekirdek kuvveti, protonları ve nötronları bir arada tutan ve elektromanyetik kuvvetten çok daha güçlü, hatta dört temel kuvvet içerisindeki en güçlü kuvvettir. Bu sayede protonlar, elektriksel kuvvete rağmen güçlü çekirdek kuvveti tarafından bir arada tutuluyor.

Güçlü çekirdek kuvvet, dört temel kuvvet arasında en şiddetlisidir ancak yalnızca çekirdeğin boyutlarıyla sınırlı bir menzili vardır.

Zayıf çekirdek kuvveti nedir?

Atom çekirdeğinde protonlar ve nötronlar bulunur demiştik. Fakat radyoaktif atomların çekirdekleri, bozunma dediğimiz bir süreçten geçerek dışarıya elektron ve pozitron saçabiliyorlar. Atom çekirdeğinde yer alan proton ve nötronlar, zayıf çekirdek kuvvetin etkisiyle başka parçacıklara dönüşürler. Dolayısıyla atom çekirdeğinin “kararsız” hale gelmesinde rol oynar.

Zayıf çekirdek kuvvetin menzili de güçlü çekirdek kuvvet gibi çekirdeğin çapıyla sınırlıdır ancak şiddeti düşüktür.

Dört temel kuvveti şiddetlerine göre bir sıralamaya sokmamız gerekirse:

Güçlü çekirdek kuvveti > Elektromanyetik kuvvet > Zayıf çekirdek kuvveti > Kütle çekim kuvveti

şeklinde sıralayabiliriz. Gördüğünüz gibi, güçlü çekirdek kuvvet en şiddetli kuvvet çeşidi olurken, kütle çekim kuvveti sıralamanın en sonuna yerleşiyor.

Hareket nedir?

Fizikte hareket, belirli bir zaman aralığında bir cismin, bir referans noktasına göre yer değiştirmesidir. Dolayısıyla bir cismin “hareketlilik” durumu, seçilen referans noktasına göre değişebilir. Seçtiğimiz referans noktasına göre hareket eden bir cisim, başka bir referans noktasına göre duruyor olabilir.

Bu yazımızda, hareket kavramını, referans noktasının önemini ve hareket çeşitlerini inceleyerek bu kavramları tam olarak anlamanıza yardımcı olacağız.

Hareket çeşitleri

Doğada hareketin üç temel çeşidi vardır. Bunlar: öteleme, dönme ve titreşim hareketidir.

1. Öteleme hareketi: Düz bir yol boyunca, belirli bir doğrultu ve yön üzerinde ilerleyen cismin hareketine öteleme hareketi denir. Bu harekete, yolda ilerleyen arabaları, yüksek bir yerden bıraktığımız bir cismin yere düşmesini ya da yürüyen merdivenleri örnek olarak verebiliriz.
2. Dönme hareketi: Belirli bir nokta etrafında dönen cismin hareketine dönme hareketi adını veririz. Güneşin etrafında dönen gezegenler, bir saatin akrep ve yelkovanı ya da bir helikopter pervanesi dönme hareketi yapar.
3. Titreşim hareketi: Bir denge noktasını merkez alarak baktığımızda salınım yapan bir cisim görüyorsak o cisim için titreşim hareketi yapıyor diyebiliriz. Örneğin, sallanan bir sarkaç ya da salıncağın sallanması bir titreşim hareketidir.

Referans noktası nedir? Hareket göreli midir?

Referans noktası cisimlerin hareketini tanımlamak ve cismin konumunu belirlemek için seçilen noktaya verilen isimdir. Bu kavramı şöyle düşünelim: Hareket edip etmediğinize karar vermek için ne yaparsınız? Bir zaman aralığında bulunduğunuz yeri yani konumunuzu değiştirip değiştirmediğinize bakarsınız. Peki konumunuzu nasıl bilebilirsiniz? Bunun için de seçtiğiniz başka bir noktayı referans alarak, o noktaya göre konumunuzu belirtebilirsiniz. Referans noktası seçerken belirli bir kural yoktur, ancak bir kez referans noktası seçtiğimizde sonraki işlemler için de aynı referans noktasını kullanmamız gerekir.

Hareket göreli midir?

Bir cismin hareket durumu, seçilen referans noktasına göre değişiklik gösterebilir. Bir referans noktası seçildiğinde, o noktaya göre hareket eden bir cisim başka bir referans noktasına göre durgun halde olabilir. Seçilen referans noktasına göre hareketlilik durumu değiştiği için hareketin göreliliğinden bahsedebiliriz.

Bu durumu daha iyi anlamak için bir örnekle inceleyelim. Arabada seyahat ettiğinizi düşünün. Referans noktanızı eğer arabanın ön camı olarak seçerseniz hareket etmediğinizi düşünürsünüz. Çünkü seçtiğiniz referans noktasıyla sizin aranızdaki mesafe değişmedi, dolayısıyla hareket etmediniz.

Yolun kenarında arabanın geçtiğini gören birisi ise referans noktasını durduğu yer olarak belirlemiş olsun. Bu ikinci referans noktasına göre araba, dolayısıyla da içinde bulunan siz uzaklaştığınız için o kişiye göre hareket halinde olacaksınız.

Hareket halindeki bir referans noktasına göre çevredeki her şey hareketli görünebilir. Arabanın camından dışarı baktığınızda etrafta gördüğünüz şeylerin geriye doğru hareket ettiğini görebilirsiniz. Çünkü sizin referans noktanıza göre siz hareket etmiyorsunuz, bu nedenle dışarıdaki cisimler hareket ediyormuş gibi görünüyor.

Bir başka örnek ise Dünya ve Güneş arasındaki hareket durumu olabilir. Örneğin, Dünya’dan baktığımızda her gün Güneş’in doğduğunu, hareket ettiğini ve battığını görürüz. Bizim referans noktamız Dünya olduğu için sanki Güneş hareket ediyor gibi görürüz. Dünya dışında bir referans noktası seçip baktığımızda ise Dünya’nın Güneş etrafında dönme hareketi yaptığını görecektik.

Bu nedenle bir cismin hareket ettiğinden bahsedildiğinde “nereye göre hareket ediyor?” sorusunu sormamız gerekir.

Kuvvet ve hareket hakkında örnek sorular