Klasik MekanikEvrenFizik

Newton Hareket Yasaları ve Kuvvet Nedir?

Şu noktaya kadar hareketin temellerine değinip, onun nasıl gerçekleştiği hakkında biraz fikir sahibi olduk. Fakat bunlarla ilgili bazı göze çarpan olguları henüz tanımlamadık. Newton hareket yasaları olarak adlandırdığımız ve üç alt başlıkta incelediğimiz bu yasalar, hareketin temel ilkelerini açıklayarak klasik mekaniğin yapı taşlarını oluşturur. Bunun için öncellikle kuvvet kavramını tanımlamak gerekir.

Kuvvet fizikte belki de sezgisel olarak hem çok kolay anlaşılan hem de detaylarına girildiğinde pek de sanıldığı gibi olmadığı fark edilen bir olgudur. Hiç kuşkusuz hepimiz kuvveti tecrübe ederiz, fakat onu iyi tanımlamak oldukça önemlidir.

Kuvvet Nedir?

Sanırım herkes, tıpkı hareketi bir şekilde açıklayabileceği gibi kuvveti de birkaç kelimeyle açıklayabilir. Gündelik hayatta çok iyi tecrübe ettiğimiz bir kavramdır ve fiziğin birçok alanında karşımıza çıkar. Fakat tecrübe ettiğimiz kuvvet kavramı, fiziğin her alanında aynı şekilde değildir ve genelde büyük bir yanılgıya neden olur. Bu nedenle öncelikle bizim tecrübe ettiğimiz kuvvetin ne olduğunu iyice anlamalıyız.

newton hareket yasalari newton beşiği
Enerji ve momentum korunumunu çok basit bir şekilde gösteren Newton beşiği.

Örneğin bir cismi ittiğinizde veya çektiğinizde ona bir kuvvet uygularsınız. Fakat kuvvet uygulamak illa ki o cismin hareket etmesini gerektirmez. Örneğin bir duvara kuvvet uygularsanız, duvar olduğu yerde duracaktır. O halde bu iki durumu birbirinden ayıracak bir tanımlama gereklidir. Bunun için net kuvvet (bileşke kuvvet) kavramına başvururuz. Bu net kuvvet dediğimiz, cismin üzerine etkiyen bütün kuvvetlerin toplamıdır.

Eğer cisim üzerine etkiyen net kuvvet sıfırsa, ivme de sıfır olacağından cismin hızı değişmez.

Problemlerde her ne kadar ihmal etsek de hiç kuşkusuz gerçek hayatta sürtünme vardır. Eğer sürtünmesi çok yüksek bir cismi itmek istiyorsanız, o denli büyük bir kuvvet uygulamanız gerekir. Bu nedenle cisimleri az kuvvetle hareket ettirebilmek adına, altına sürtünmeyi azaltan, kayganlaştırıcı bir şey sürülebilir.

Kuvvet Türleri

Newton hareket yasalarını anlamak için şu noktaya kadar gündelik örnekler verdik, bunları biraz çoğaltalım. Örneğin bir yayı gerdirmek, havaya sıçramak, duvarı itmek, topa vurmak… Bunların ortak noktası nedir? Hemen fark edilmeyebilir, fakat tüm bunların ortak noktası bir temas gerektirmesidir. Bu nedenle bunlara temas kuvvetleri (değme kuvvetleri) de denilir.

Evrende bir de bu şekilde “temas” olarak nitelendiremeyeceğimiz, ama yine kuvvet gibi sonuçları olan, etkileşimler vardır. Ben bunlara bazen etkileşim demeyi daha doğru buluyorum, sırf bu ikisini ayırt edebilmek adına, fakat fizikte bunlara geleneksel bir şekilde büyük bir çoğunluk kuvvet der. Bunlara da alan kuvvetleri denir.

Örneğin Ay’ın Dünya etrafındaki dolanma hareketi kütle çekim kuvveti nedeniyle olur. Aslında arada boş uzaydan başka hiçbir şey yoktur. Bu gündelik hayattaki temas kuvveti algımızdan biraz farklı. Aslında moleküler seviyeye indiğimizde yine “değmiyoruz”. Bir duvarı ittiğimizde de gerçekleşen şey, elimizdeki moleküllerin duvardaki molekülleri itmesidir ve bu alanlar aracılığıyla olur.

Alanları daha kolay anlamak için mıknatısları düşünebilirsiniz, beni hep hayrete düşürmüşlerdir. İki aynı kutbu bir araya getirirsiniz ve birbirlerine değmemelerine rağmen kuvvetli bir itme olur. Yaklaştıkça daha da artar. Hele ki neodim mıknatıs gibi güçlü bir mıknatıs varsa, tam bir mücadele verirsiniz. Ama arada hiçbir şey yoktur! İşte alanlar böyledir. Görmesek de orada bir manyetik alan vardır ve bunlar birbiri ile etkileşir. Tam olarak bu nedenden etkileşimi tercih etmeyi uygun görüyorum. Bir diğer örnek de yüklü parçacıkların birbirlerini çekmeleri ve itmeleridir. Bu noktada vektörel alan kavramını hatırlamanızda fayda var (bkz.). Artık Newton hareket yasalarını tanımlayabiliriz.

Newton Hareket Yasaları

Newton hareket yasaları (ya da Newton’un hareket yasaları) klasik mekaniğin temelini oluşturur ve üç ayrı yasadan oluşur. Bunlar zaman içerisinde bazı ufak tanımsal değişikliklere uğramış olsa da ana prensip aynıdır. Bu nedenle biraz farklı tanımlar görebilirsiniz, lakin hepsi aynı olguyu tanımlamakta, sadece teknik açıdan daha doğru şekilde ifade etmeye çalışmaktadır. O nedenle aradaki tanım farklılıklarına dikkat edip, nedenlerini düşünmenizi öneririm.


Newton’un Birinci Yasası (Eylemsizlik Yasası)

Eylemsiz bir referans sisteminde, cisme bir kuvvet etki etmediği sürece; eğer cisim duruyorsa durmaya, sabit hızla hareket ediyorsa, sabit hızla aynı hareketine devam eder.

Tanımlar bazen zorlayıcı olabilmektedir. Onları daha kusursuz hale getirmek için kullandığımız teknik ifadeler, başlangıçta sizi yorabilir. Fakat bunları anlamak kolaydır ve doğru anlamak açısından da bir o kadar önemlidir. Öncelikle eylemsiz referans sisteminin ne olduğunu anlamak gerekir. Eylemsiz referans sistemi klasik mekanikte, ivmelenme etkisi altında olmayan referans sistemlerine (kabaca koordinatlara) verdiğimiz isimdir.

Dolayısıyla bu bize, Newton’un birinci hareket yasasının, ivmenin olmadığı durumlarda tanımlı olduğunu söyler. Çünkü yasa, eylemsiz bir referans sisteminde tanımlı.

Tam olarak bu nedenle, bu Newton hareket yasası için aynı zamanda eylemsizlik yasası da denir. Kısaca, cismin mevcut eylemini koruması olarak da ifade edebiliriz.


Newton’un İkinci Yasası (Dinamiğin Temel Yasası)

Eylemsiz bir referans sisteminde, cisim üzerine etki eden F kuvvetlerinin vektörel toplamı, cismin kütlesi (m) ile cismin ivmelenmesinin (a) çarpımı kadardır.

Newton hareket yasalarından belki de en çok değinileni, meşhur F=ma denklemini tanımlayan yasadır. Daha kaba bir tabirle, cisme etki eden net kuvvetin sıfırdan farklı olması durumunda, cismin kütlesiyle ilişkili olarak ivmeleneceğini söyler. Burada kütlenin sabit olarak kabul edilmesi önemlidir. Çünkü bu eşitliği, momentumun zamana göre türevinden elde ederiz. Newton’un ikinci yasasını şu şekilde de ifade edebilirdik:

Bir cismin momentumundaki değişim miktarı, ona uygulanan kuvvetle doğru orantılıdır ve momentumdaki değişim, uygulanan kuvvetle aynı yönlüdür.

Kuvvet (F), momentum (p) ve ivmenin (a) birer vektör ve burada bir değişken olduğunu, ayrıca kütlenin (m) bir skaler ve burada bir sabit olduğunu hatırlayın. Bu durumda yukarıda anlattıklarımızın matematiksel ifadesi aşağıdaki gibi olur.

kuvvet formülü

Dolayısıyla Newton’un ikinci yasası aşağıdaki, meşhur şekliyle ifade edilir.

newton hareket yasaları newton'un ikinci hareket yasası

Yani bir başka deyişle, eğer bir cisim ivmeleniyorsa, ona etkiyen bir kuvvet söz konusudur. Bu meşhur denklem, yani Newton hareket yasalarının ikincisi, fiziğin sayısız alanında karşımıza çıkar.

Newton’un Üçüncü Yasası (Etki Tepki)

Eğer bir cisim, ikinci bir cisme bir kuvvet uygularsa; o anda ikinci cisim birinci cisme zıt yönde ve eşit büyüklükte bir kuvvet uygular.

Etki tepki yasası olarak da bilinen Newton’un üçüncü yasası, iki cisim arasındaki bütün kuvvetlerin birbirlerine eşit büyüklükte ve zıt yönde olduğunu söyler. Örneğin bir A cismi, bir B cismine FA kuvvetini uygularsa; B cismi de o anda A cismine FB kuvvetini uygular. Bu durumda FA=-FB‘dir.

Newton üçüncü yasasını, momentumun korunumunu türetmek için kullanmıştır lakin momentumun korunumu bu yasayı temel almaz. Galilean invaryansı altında Noether teoremi kullanılarak türetilir ve Newton’un üçüncü yasasının geçersiz olduğu bazı durumlarda dahi geçerlidir. Bu durumlar için şu anda endişelenmemiz gerek yok çünkü bunlar daha ziyade alanlarla ve kuantum mekaniği ile ilgilenmeye başladığımızda ortaya çıkar. Şu anda genel fizikle (mekanikle) ilgileniyoruz. Fakat Newton hareket yasalarının kapsamlarını bilmekte yarar var.

Newton’un Hareket Yasalarının İşlemediği Durumlar

Newton hareket yasaları, gündelik hayatta tecrübe ettiğimiz olayları gerçekleştiren makroskopik boyuttaki cisimlerde oldukça tutarlıdır. Fakat ne yazık ki bunlar evrensel olarak her şeye uygulanabilir değillerdir, bu nedenle bunlara ciddi anlamda bir “yasa” gözüyle bakmaktan ziyade “iyi bir yaklaşım” gözüyle bakmak gerekir.

Özellikle yüksek hızlara çıkıldığında (ışık hızına yakın hızlar), çok güçlü kütle çekimsel alanlarda (bir kara deliğin yakınlarında) ve çok küçük ölçeklerde (atomik ölçeklerde) Newton hareket yasalarını kullanmak uygun değildir. Dolayısıyla Newton hareket yasaları süperiletkenlik, GPS sistemlerinde hata düzeltmeler, yakın yörüngelerdeki hatalar, yarıiletkenlerdeki elektrik gibi konularda kullanılamaz. Bunlar için kuantum alanlar teorisi ve genel görelilik teorisi gibi daha kapsamlı teoriler gerekir.

Belki de bu noktada “yasa” kelimesinin biraz sorgulanması gerekmektedir. Genel olarak öğrencilerin aklında, “değişmez, daima geçerli kanunlar” gibi görülen bu gerçekler, aslında şu anda “teori” olarak adlandırdığımız gerçeklerden çoğu durumda daha geçersiz.

Bu durumda teorinin ne olduğunu iyi kavramak gerekir. Birçok kişi teoriyi “muallakta” gibi pek tutarsız bir şey olarak algıladığından, geçerliliğinin güçlülüğüne değinmek adına “yasa” kelimesi (bir de alışkanlıktan) hala çok tercih ediliyor. Lakin bu ayrımların farkına varmanız için önemli bir noktadasınız ve bu nedenle bunları biraz sorgulamanızı istiyorum. Belki de bu noktada teori dediğimiz şeylerin aslında ne denli büyük kanıtlara dayanan gerçekler olduğunun farkına varmak gerek. Neden yasa demediğimizi düşünmeyi de size bırakıyorum.


Genel Fizik İçerikleri

Genel fizik konuları ele aldığımız yazı dizisinin diğer bölümlerine aşağıdaki bağlantılardan ulaşabilirsiniz.

Genel Fizik – 1: Boyut Analizi, Skaler ve Vektör Kavramı
Genel Fizik – 2: Konum, Hız ve İvme
Genel Fizik – 3: Vektörler, Skaler Çarpım ve Vektörel Çarpım
Genel Fizik – 4: Eğik Atış Hareketi – Konu Anlatımı, Örnek Soru, Formüller
Genel Fizik – 5: Merkezcil İvme- Düzgün Dairesel Hareket
Genel Fizik – 6: Teğetsel İvme ve Radyal İvme (Formülleri)
Genel Fizik – 7: Bağıl Hız ve Bağıl İvme
Genel Fizik – 8: Newton Hareket Yasaları ve Kuvvet
Genel Fizik – 9: Sürtünme Kuvveti Nedir? (Sürtünme Formülü)


Hazırlayan: Ögetay Kayalı

Edit: Büke Özen

Referanslar
1. Serway & Beichner, Fen ve Mühendislik İçin Fizik – 1, “Newton Hareket Yasaları”, “Kuvvet”, Beşinci Baskıdan Çeviri, p. 110-124
2. Feynman, Leighton, Sands, Feynman Fizik Dersleri – Cilt 1: Mekanik, Işınım, Isı, “Newton hareket yasaları”, “Kuvvet nedir?”, “Newton’un üçüncü yasası”, Bölüm 9-10.

Ögetay Kayalı

Rasyonalist kurucu, editör ve kıdemli yazar. NASA'nın APOD platformunda görevli olmak üzere, Michigan Tech. Üniversitesinde araştırma görevlisi olarak Astrofizik üzerine doktora yapmaktadır. Ege Üni. Astronomi ve Uzay Bilimleri Bölümünden birincilikle mezun olduktan sonra bir yıl kozmoloji üzerine yüksek lisans, ardından bir yıl da İzmir Uluslararası Biyotıp ve Genom Merkezinde Moleküler Biyoloji ve Genetik üzerine yüksek lisans yapmıştır.
Back to top button

Destek Ol!


Neden desteğinize ihtiyacımız var: Çünkü Rasyonalist'in tek destekçisi sizlersiniz.

Rasyonalist'in masraflarını karşılamak, gelişimini sağlamak, profesyonel ekipmanlara ulaşarak bunlarla sizlere daha iyi hizmetler verebilmek için desteğiniz gerekiyor.

 

Bağışta bulunmakla ilgili soru işaretlerinizi yanıtlayabilmek için, hakkımızda sayfamıza göz atmanızı öneriyoruz.