KUVVETLER KUVVETLERFizik deneye ve ölçmeye dayalı bir bilim dalı olduğundan, ölçme sonuçları kesin ve anlaşılır bir biçimde ifade edilmelidir. Ölçmeleri ifade etmek için kullanılan en basit ve genel dil sayılardır. Fizikte bazı büyüklükler sayılarla ifade edilebildiği halde, bazılarının ifade edilebilmesinde sayılar yeterli olmamaktadır. Sayılarla birlikte yönün de belirtilmesi gerekir. Bu nedenle fizikte büyüklükler skaler ve vektörel büyüklükler olmak üzere iki gruba ayrılır. 1. Skaler BüyüklüklerKütle, enerji, sıcaklık, iş, elektrik yükü, zaman, hacim ... gibi fiziksel büyüklüklerde yön ve doğrultu söz konusu değildir. Bu büyüklüklerin sayısal değeri ile birimi verildiği zaman büyüklük hakkında yeterli bilgiye sahip oluruz. Bu tür büyüklüklere skaler büyüklükler denir. 2. Vektörel BüyüklüklerHız, kuvvet, ivme, yer değiştirme gibi fiziksel büyüklükler yönlü büyüklüklerdir. Bu tür büyüklükler yalnız sayı ve birimle ifade edilemez. Büyüklüğü, başlangıç noktası, yönü ve doğrultusu ile bilinebilen niceliklere vektörel büyüklükler denir. 30 km/saat hızla giden bir tren denildiği zaman, olay net olarak ifade edilmemiş demektir. Hangi yönde gittiği sorusu akla gelmektedir. Örneğin kuzeye doğru 30 km/saat hızla giden tren denilseydi, tam olarak ifade edilmiş olurdu. KuvvetCisimlerin hareket durumlarını veya şekillerini değiştirebilen etkiye kuvvet denir. Etki ettiği cismin şeklini değiştirmesi ve esnek cisimlerin uzayıp sıkışması gibi olaylar, kuvvetin etkisinin sonucu olduğu gibi duran cismi hareket ettirmesi, hareket halindeki cismin hızında değişiklik yapması da, kuvvetin etkisinin sonucudur. Kuvvet vektörel bir büyüklük olduğundan, vektörlerin bütün özellikleri kuvvetler için de geçerlidir. SI birim sisteminde kuvvet birimi newton (N) dur. Kuvvetin Gösterimi Vektörel büyüklükler şekilde görüldüğü gibi yönlendirilmiş doğru parçası ile gösterilir. Vektörel bir büyüklük olan kuvvetin dört elemanı vardır. Uygulama Noktası : Kuvvetin uygulandığı noktaya uygulama ya da başlangıç noktası denir. Yukarıdaki kuvvetin uygulama noktası O noktasıdır. Büyüklüğü : Kuvvetin sayısal değerine o kuvvetin büyüklüğü denir. Şekildeki ölçekli düzlemde verilen kuvvetinin büyüklüğü 4 birimdir. Yönü : Kuvvetin yönü, doğru parçasının ucuna konulan okun yönündedir. Şekildeki kuvvetinin yönü O dan A ya yöneliktir. Veya doğu yönündedir. Doğrultusu : Kuvvetin hangi doğrultuda olduğunu gösterir. Şekilde kuvvetlerinin yönleri zıt fakat her ikisi de kuzey - güney doğrultusundadır. Buna göre, birbirlerine paralel olan kuvvetler çakışık olmasalar da doğrultuları aynı olur. Dinamometre Kuvvet dinamometre ile ölçülür. Esnek yaydaki uzama miktarı, dinamometreye asılan cismin ağırlık kuvveti ile doğru orantılıdır. Dolayısıyla yaydaki uzama, kuvvetin büyüklüğünün bir ölçüsü olarak alınabilir. Örneğin 10 N ağırlıklı cisim asıldığında yay 1 mm uzuyorsa, 50 N ağırlıklı cisim asıldığında yay 5 mm uzayacaktır. İki Kuvvetin Eşitliği Aynı yönlü ve büyüklükleri eşit olan iki kuvvet birbirine eşittir. Şekilde, kuvvetlerinin şiddetleri, yönleri ve doğrultuları eşit olduğu için bu kuvvetler eşit kuvvetlerdir. Bir Kuvvetin Negatifi Bir kuvvetiyle aynı büyüklüğe sahip, fakat yönü kuvvetinin tersi olan kuvvete, kuvvetinin negatifi veya zıttı denir. Yani bir kuvvet ters döndürüldüğünde o kuvvetin işareti değişir. Kuvvetlerin Taşınması Bir kuvvetin büyüklüğünü ve yönünü değiştirmeden bir yerden başka bir yere taşımak mümkündür. Eğer kuvvetin yönü değiştirilerek taşınırsa, o kuvvet başka bir kuvvet olur. Bir Kuvvetin Skalerle Çarpımı ve Skalere Bölümü Bileşke Kuvvet İki ya da daha fazla kuvvetin yaptığı etkiyi tek başına yapan kuvvete bileşke kuvvet denir. Kuvvetlerin her birine ise bileşke kuvvetin bileşenleri denir. Bileşke kuvvet R sembolü ile gösterilir. Bileşke kuvvet vektörel olarak kuvvetlerin toplamına eşittir. Kuvvetlerin toplanmasında çeşitli metodlar kullanılmaktadır. Bu metodlar uç uca ekleme (çokgen) metodu ve paralelkenar metodudur. Uç Uca Ekleme (çokgen) Metodu : Uç uca ekleme metoduna göre, kuvvetlerin doğrultusu, yönü ve büyüklüğü değiştirilmeden, birinin bitiş noktasına diğerinin başlangıç noktası gelecek şekilde uç uca eklenir. Daha sonra ilk kuvvetin başlangıç noktasından son kuvvetin bitiş noktasına çizilen kuvvet toplam kuvveti verir. Bu bileşke kuvvet, kuvvet olarak da adlandırılır. Şekil - I deki kuvvetlerinin toplamı yukarıda açıklandığı gibi yapılırsa, Şekil - II deki gibi toplam kuvveti bulunur. Kuvvetler uç uca eklendiğinde, ilk kuvvetin başlangıç noktası ile son kuvvetin bitiş noktası çakışıyorsa, toplam kuvvet sıfırdır. Paralel Kenar Metodu : Paralel kenar metodu ile iki kuvveti toplamak için, bu iki kuvvet uygulama noktaları aynı olacak şekilde bir noktaya taşınır. kuvvetinin bitiş noktasından ye paralel, kuvvetinin bitiş noktasından da e paralel çizgiler çizilir. Böylece elde ettiğimiz şekil bir paralelkenar olur. kuvvetlerinin çakışık olan başlangıç noktasını paralelkenarın karşı köşesine birleştiren kuvvet, iki kuvvetin toplamına eşit olan kuvvetdir. Aynı Doğrultudaki Kuvvetlerin Bileşkesi Bu durumda kuvvetler arasındaki açı a = 0° olduğundan bileşke kuvvetin şiddeti maksimum değerde olur. Aynı noktaya uygulanankuvvetler zıt yönlü iseler bileşke kuvvetin şiddeti, vektörlerin şiddetinin yine cebirsel farkına eşit olur. R = F1 – F2 dir. Kuvvetler zıt yönlü iken aralarındaki açı a = 180° olduğundan bileşke kuvvetin şiddeti minimum değerde olur. kuvvetleri arasındaki açı 90° ise, bileşke kuvvetin şiddeti pisagor bağıntısından bulunur. R2 = F12 + F22 Eğer kuvvetlerin şiddetleri eşit ise, bileşke kuvvetin büyüklüğü olur. Duran cisimler, üzerine etkiyen kuvvetlerin bileşkesi yönünde harekete geçerler. Kuvvetlerin Dengesi Buna göre, bir cisme uygulanan bütün kuvvetlerin bileşkesi sıfır ise cisim dengededir. Şekildeki cisme kuvvetleri uygulandığında cismin dengede kalabilmesi için, bileşke kuvvetin uygulandığı noktaya bileşke kuvvete eşit şiddette ve zıt yönlü bir kuvvet uygulanmalıdır. Bu kuvvete dengeleyici kuvvet denir. Bir cismin dengede kalabilmesi için uygulanan kuvvetlerin bileşkesi sıfır olmalıdır. olmalıdır. Etki - Tepki Prensibi Her etkiye karşı eşit ve zıt yönlü bir tepki uygulanır. Etki kuvvetinin büyüklüğü ile tepki kuvvetinin büyüklüğü eşit fakat zıt yönlüdür. Şekildeki cisim, zemine ağırlığı kadar bir etki uygularsa, zeminde cisme o büyüklükte bir tepki kuvveti uygular. Şekildeki ip iki ucundan eşit büyüklükteki F kuvvetleri ile çekilirse, ipteki gerilme kuvveti yine F olur. Ayrıca ipin bütün noktalarındaki gerilme kuvveti aynı değerdedir. AĞIRLIK KUVVETİEvrendeki kütleler birbirlerini çekerler. Herhangi iki kütlenin birbirlerine uyguladıkları çekim kuvveti; kütllerin büyüklükleri ile doğru, aralarındaki uzaklığın karesi ile ters orantılıdır. Dünya üzerindeki maddelerin ağırlıkları da bu kütle çekim kuvvetlerinden dolayı oluşur. Yeryüzündeki bir maddeye etki eden yerçekimi kuvvetine ağırlık denir. Bir cismin ağırlığı Dünya’dan farklı ortamlarda değişebileceği gibi Dünya üzerinde bulunduğu yere göre de değişir. Ağırlık, yer yüzeyinden uzaklaştıkça veya yüzeyden yerin merkezine inildikçe azalır. En büyük ağırlık yer yüzeyinde görülür. Yerin merkezinde ağırlık sıfır olur. Yeryüzünde ise, ekvator şişik olduğu için ağırlık küçük ve kutuplar basık olduğundan ağırlık büyük olur. Ay’ın kütlesi Dünya’nın kütlesinden küçük olduğu için, Ay’da çekim kuvveti ve ağırlık Dünya’dakinin yaklaşık altıda biri olur. Ağırlık Birimleri Ağırlık bir tür kuvvet olduğu için kuvvet birimleri aynı zamanda ağırlık birimi olur. Bu nedenle newton ve dyne aynı zamanda ağırlık birimidir. 1 N = 105 dyn Ağırlıklar kuvvetlerde olduğu gibi dinamometre ile ölçülür. Yeryüzünde kütlesi 1 kg olan bir cisme etki eden yerçekimi kuvveti yaklaşık olarak 9,81 N dur. Bunların oranına yer çekimi ivmesi denir. Yerçekimi ivmesi yaklaşık 10 N/kg olarak alınır. Bu durumda yeryüzündeki bir cismin kütlesi ve ağırlığı arasındaki eşitlik; G = m . g olur. Cismin dengede olması demek ya durması, ya da sabit hızla gitmesi demektir. Cismin bir noktasına aynı doğrultulu eşit şiddette ve zıt yönde iki kuvvet uygulandığında, bu kuvvetler birbirini dengeler. Yani bu kuvvetlerin bileşkesi sıfır olur. R = F1 + F2 dir. Aynı noktaya uygulanan ve aynı yönlü olan kuvvetlerin bileşkesinin büyüklüğü, kuvvetlerin toplamına eşittir. Bir kuvvetin skaler bir sayı ile çarpımı yine bir kuvvetdir. Bu kuvvetin, yönü ve doğrultusu değişmez, fakat büyüklüğü skaler sayı katı kadar değişmiş olur. Bir kuvvetin bir skalere bölümü yine bir kuvvetdir. Çarpmada olduğu gibi oluşan yeni kuvvetin yönü ve doğrultusu değişmez, yalnızca büyüklügü değişir.