Cisimlerin hareketlerini ve bu hareketlerle nedenleri (kuvvetler) arasındaki bağıntıları ele alan fizik dalı. Mekanikte göz önüne alman cisimler, bir gökada, bir elektron ya da genellikle kullanılan bir aygıt olabileceğinden, sonsuz büyük ve sonsuz küçükle ilgili bildiklerimizin gelişmesi klasik mekaniğin sınırlarını zorlayarak, fizikçileri, yeni mekanikler geliştirmeye yöneltmiştir.
Tarihçe
Arkhimedes’den önce mekanikle ilgili bilgiler çok az gelişmişti. İlk gözlemler denge koşullarına ilişkindi. Eski Yunanlılar, makara kullanımını buldular ve savaş makineleri yaptılar. Aristoteles, İ.Ö. IV. yy’da, statik ve dinamik bakış açılarını birbirine karıştırarak da olsa, ilk düzenli mekanik incelemesini gerçekleştirenlerden biri oldu. Mekaniğin temellerini akılcı bir biçimde kuran kişiyse Arkhimedes’ dir. Gerçekten de Arkhimedes katiların dengesine üişkin ilk ilkeleri ve yüzen cisimlerle ilgili yasaları açıkladı; kaldıracı buldu ve yasasmı belirledi. Uçan makineler ve hidrolikle ügili araştırmalarından ötürü, Leonardo da Vinci uygulamalı mekaniğin kurucuları arasmda sayılabilir. Stevin (XVI. yy.) bazı statik ve hidrostatik olaylarım inceledi. Ama, sarkaç hareketi yasalarını bularak ve bununla ilgili deneysel incelemeler yaparak, mekanikte büyük ilerlemelere yol açan Galilei (XVII. yy’ın başı) oldu. Bu bilgin ayrıca, cisimlerin düşüşünü inceledi ve klasik mekaniğin anahtarı olacak iki temel düşünceyi ortaya attı: Nicel olarak açıkladığı eylemsizlik yasası ve genel formülü sonradan Einstein tarafından belirlenen bağıntı ilkesi. Galilei’nin öğrencisi Torricelli, atmosfer basıncım buldu; Blaise Pascal ise hidrostatikle ügili çalışmalarının yam sıra, bu konuyu da tam anlamıyla ele alıp inceledi. Huygens (XVII. yy.) sarkaç hareketini, saatlerin ayarlanmasına uyguladı ve dairesel hareket ile dalga yayılımını inceledi. Kepler, gökcisimlerinin hareket yasalarını buldu. Newton, 1687’de, evrensel yerçekimi ilkesini ve cisimlerin düşüşüyle ilgili yasaları açıkladı; eskiden rasyonel denen, günümüzdeyse klasik ya da genel diye nitelendirilen mekaniğin gerçek kurucusu kabul edildi.
İki yüzyıl boyunca, Newton’un mekaniği, fiziğe egemen oldu, bütün fizik dallarım kendine bağlamaya çalıştı ve bütün öbür bilimlere örnek oldu. Le Verrier’in (1846) Neptün’ü yalnızca hesap yoluyla, bu gezegenin Uranüs’e yaptığı etkileri göz önüne alarak bulması, Newton mekaniğinin büyük başarısını belirledi. XVIII. yy’da Newton mekaniği benimsendi; aynı zamanda belli bir sonuç alman önemli çalışmalar yapıldı. Varignon moment kuramını oluşturdu. Bernouilli akışkanların hareketlerini inceledi. D’Alembert ve Lagrange, sırasıyla dinamiğin ve statiğin sorunlarım genelleştirdiler. Laplace gök mekaniğini ele aldı. Coulomb, Poncelet, Atwood, Morin, vb. bilim adamları bütün mekanik problemlerinde ortaya çıkan büyüklükleri ve parametreleri (kuvvetler, hazlar, ivmeler, vb.) ölçmeye ve karşılaştırmaya yöneldiler. Aynı dönemde Gutenberg kardeşler, Otto von Guerick, Deniş Papin, jouffroy d’Abbans, Watt, Stepnenson, jacquard, Seguin, Fulton, Gramme, vb. mekanikçiler çeşitli makineler oluşturdular. XIX. yy’da bilim adamları önceki yüzyılın kuramsal sonuçlarını yeniden tartışma konusu yaptılar ve sınırlarını belirlediler. Matematik mekaniğe gitgide girmeye başladı. Optik ya da elektrik deneyleri, fizikçileri yeni ilkeler belirlemeye itti. Einstein, Lorentz, Poincare, Langevin bağıllığın temellerim ortaya attılar ve Planck, ilerde De Broglie’nin dalga mekaniğiyle tamamlanacak olan kuvantum kuramını açıkladı. Fizikçiler, eski düşünce biçimlerini ve alışkanlıklarını bıraktılar, çünkü, yalnızca matematik diline dayanan bu “yeni mekanik” aykırı gibi görünse de deneysel gözlem nedeniyle soyutlaşmıştı.
Klasik Mekanik
Klasik mekanik, makroskopik açıdan tanecikler ya da maddesel noktalar bütünü olarak kabul edilen katiların, sıvıların ya da gazlarm kuvvet denen çeşitli etkiler sonucu oluşan davranışlarını inceler ve şu bölümlerden oluşur; Kinematik; dinamik; kinetik; statik.
KİNEMATİK, maddesel noktaların (kütlesiz) zamana bağh olarak hareketlerini inceler ama bu hareketlerin nedenleriyle ilgilenmez. Her hareket, söz konusu noktanın zaman süresince bulunduğu konumlar dizisiyle tanınıl anır.
Bir hareketin her zaman bağıl bir niteliği vardır; cismin hareketi yalnızca fiziksel bir referans sistemine, yani başka bir cisme göre var olabilir. Newton mekaniğinin uzayı, üç boyutlu Eukleides uzayıdır; bu mekaniğin zamanının mutlak bir niteliği vardır. Zaman, sabit bir referans sistemine bağlı bir gözlemci için olduğu kadar, nispeten hareket halinde olan bir referans sistemindeki gözlemci için de aynıdır. Klasik mekanikteki hızların toplamı yasası, bu uzay ve zamana ilişkin varsayımlara dayanır. Buna göre, sözgelimi bir insan tren koridorunda, trene göre vt hızıyla yer değiştirirse ve bu tren raylara göre hızıyla ilerliyorsa, yolcu, raylara göre v = v, + v2 hızıyla yer değiştirir. Bu bize çok açık gibi görünür; ama zamanın, Newton’un ona uygun gördüğü gibi mutlak bir niteliği yoktur ve yukandaki formül kesin biçimde doğru değüdir (Bkz. Aşağıdaki bağıl mekanik bölümü).
DİNAMİK, hareketlerle bunların nedenleri (yani kuvvetler) arasındaki bağıntıları inceler. Dinamiğin temel ilkesini ilk kez Newton açıkladı: Herhangi bir anda, bir cisim, bir F kuvveti etkisi altmda kaldığında, y ivmesi F kuvvetiyle aynı doğrultu ve yöndedir, modülüyse kuvvetüı şiddetiyle orantılıdır. Bu ilkeye, F = y m temel bağıntısı denk düşer. Buradaki m, “eylemsiz kütle” denen orantı sabitidir ve kuvvetin etkidiği cismi niteler.Galilei’ nin sunduğu ve doğru olarak Newton’un formüllendirdiği eylemsizlik ilkesi de buradan kaynaklanır: Hiçbir kuvvetin etki yapmadığı (ya da bileşkesi sıfır olan kuvvetlerin etkidiği) bir cisim hareketsizdir ya da düzgün doğrusal bir hareket yapar. Başlangıçta hareketsiz olan bir bilyayı hareket ettirmek için çok kısa bir itiş yeterlidir: Büya, sıfır hızdan, bir V hızma geçer; bu düzgün doğrusal hareketi sürdürmek için başka kuvvet uygulamak gerekmez. Bu ilkenin Yer üstünde doğrulanması zordur, çünkü, sürtünme, hava direnci gibi yenilmesi gereken birçok kuvvet vardır. KİNETİK, kinematikten ayrılır ve ona soyut biçimde kütle kavramım katar; kütle, hareket eden cisme ilişkin sabit bir sayı gibi düşünülür. Bu sayı, kinematikte incelenen hızlara ilişkin basit bir çarpan gibi ortaya çıkar. STATİK, belirli bir referans sistemi içinde, bir cismin kuvvetler altındaki denge koşullarını inceler. Dolayısıyla dinamiğin özel bir durumudur; bir bakıma hareketsiz ya da düzgün doğrusal hareketli cisimlerin dinamiğidir. Bir cismin, belirli bir referans sisteminde dengede olması için, buna uygulanan kuvvetlerin toplamının sıfır olması ve bu sisteme göre başlangıç hızının da sıfır olması gerekir ve yeterlidir.
Klasik Mekaniğin Yetersizliği
Klasik mekanikte, denge ve hareketin incelenmesinde şunlar bir postulat olarak kabul edilir: 1. Hareketin incelenmesi, bu hareketin bir ya da birden çok belirli anlarında parametrelerinin bilinmesi koşuluyla, onu doğuran kuvvetlerle ilgilenmeden yapılabilir; 2. her cisim, bir maddesel noktalar bütünüdür ve cismin hareketi, onu oluşturan her bir noktanın hareketinden çıkarılabilir. Bu noktaların konum ve hız koordinatları hesaplanabildiğinden, uzay ve zaman referans sistemlerinde cismin gelişimi de belirlenebilir.
Bununla birlikte, bu inceleme her ne kadar katilar için az çok kolaysa da, akışkanlarda çok daha güç hale gelir. Başka bir mekaniğin gerekli olduğu hemen anlaşılır: Bu, gerekirci düşüncelerin bırakılmasını zorunlu kılan istatistiğe ve olasılıklara yönelik mekaniktir. Öte yandan, sözgelimi, atomlar ya da atom tanecikleri (elektronlar, çekirdekler, vb.) gibi çok küçük nesnelerde olduğu gibi ayrı ayrı göz önüne ahnan maddesel taneciklerin davranışı incelenmek istendiğinde, yukarıdaki postulatlar uygun değildir ve “klasik” denen matematik yeterli olmaz; Eukleides uzayı da uygun düşmez. Yeni postulatlar (özellikle bir taneciğin hız bileşenlerinin ve uzay koordinatlarının aynı anda verilemeyeceğini belirten Heisenberg’in postulatı ve enerji değişiminin ancak kesintili biçimde gerçekleşebileceğini açıklayan Planck’m postulatı) gereklidir. Yüksek hızlar alanında, vazgeçilmesi gereken, mutlak zaman kavramıdır: Burada bağıllık kavramından yararlanmak gerekir.
Bağıl Mekanik
Newton mekaniği, zamanın mutlak niteliği üstüne dayanır; bağıl mekanikse zamanın, ancak, yüksek hızlarda, yani ışık hızına yaklaşan hızlarda (c = 300 000 km/sn) ortaya çıkan bağıl niteliği üstünde temellenir. Yer’in hareketinin ışık hızına olan etkilerini ortaya çıkarmanın olanaksızlığından (Michelson deneyi) hareket ederek bağıl mekaniği kuran Einstein olmuştur. Aynı doğrultudaki v, ve v2 hızlarının toplamına ilişkin yukarıda verilen yasa böylece şu biçimi alır: v = Vl + V2 Burada c ışık hızıdır. Işığınkine oranla düşük hızlar için öğesinin çok küçük değerde olduğu ve v = vı + v2 klasik kuralının elde edilebileceği görülür. Buna karşılık v2 = c olursa, v = c olur. Işık hızı, ölçüldüğü referans sistemi ne olursa olsun aynı değerdedir. Bağıllık kuramından çıkarılan ve aykırı gibi gelen öbür sonuçlar da cetvellerin ve hareket halindeki saatlerin davranışlarıyla ilgilidir. Uzunluğu yönünde yer değiştiren sert bir cetvelin uzunluğu, hareketsiz uzunluğundan daha küçüktür; hareket halindeki bir saat hareketsiz haline oranla daha ağır çalışır. Buradan, hareketin, uzunlukları kısalttığı ve süreleri uzattığı sonucu çıkarılır. Bağıl mekanik, özellikle tanecikler fiziğinde, cismin hızı, ışığınkine oranla çok küçük olmadığında gereklidir.
Kuvantum Mekaniği ve Dalga Mekaniği
Sıkı sıkıya birbirine bağh olan kuvantum mekaniği ve dalga mekaniği Planck’ın kuvanta kuramından doğmuştur. Kuvantum mekaniğinin ana düşüncesi, kinetik momentin (hareket miktarının momenti), sürekli biçimde değil de, ancak sıçramalar yoluyla değiştiğidir; serbest olarak dönen bir tekerlek, enerjisini sürekli olarak değil de (sürekli fren), “kuvantum sıçramaları” yoluyla, süreksiz biçimde yitirir. Kuvantum mekaniğinin dayandığı matematik son derece karmaşık ve soyuttur. De Broglie (1924) ile başlayan ve kuvantum mekaniği üstüne kurulduğu kabul edilebilen dalga mekaniği şu düşünceden yola çıkar: Her taneciğe Broglie dalgası denen bir dalga ve her dalgaya da bir tanecik denk düşer. Kuşkusuz, bu mekaniği makroskopik düzeyde kullanmak tümüyle yararsız bir zorlama olacaktır. Tersine, dalga ve kuvantum mekaniklerine bağh olmayan atom ve temel taneciklerle ilgili olay yoktur. Tanecikler için kullanılan kuvantum ve dalga terimleri hemen hemen eşdeğerdirler. Kuvantum mekaniğinin en şaşırtıcı doğrulamalarından biri, taneciğin konumunu ve hızını aynı anda, kesinlikle tanıma olanaksızlığıdır. Bu iki parametreden birinin ölçümü ne kadar kesinse, ötekininki de o kadar belirsiz olur. Bu olanaksızlığın nicel formülü, Heisenberg belirsizlik bağıntısıyla verilir: Ax (mv) s* h. Buradaki Ax , x konumundaki ölçme belirsizliğidir; A (mv) de taneciğin v hızıyla m kütlesinin çarpımının ölçümüyle ilgili belirsizliktir; h ise Planck sabitidir (h= 6,62.10 Juule-saniye).
İstatislik Mekaniği
Kuvantum mekaniği, belirli bir konuma yerleştirilmiş bir taneciğin (ya da taneciklerin) davranışıyla ilgilenir: Serbest tanecik; atom alanındaki tanecik (elektron); nükleer alandaki tanecik. Sözgelimi, akışkan bir madde (sıvı, gaz, plazma) örneğini oluşturan bir tanecikler bütününün davranış biçiminin incelenmesi yeni bir açıdan, istatistik mekaniği açısından ele alınmalıdır. Artık, bir taneciğin evrimi, bu tanecik tek başına ele alınarak değil de, başka taneciklerin de varolduğunun göz önünde bulundurulmasıyla değerlendirilebilir. Bir A özelliği, her an, birkaç taneciğe birden özgüdür ve bunlardan hangisinin bu özelliğe sahip olduğu önceden kestirilemez. A özelliğine sahip öğe sayısı olan n(A) ile bütün içindeki toplam öğe sayısı N’nin oranına, A özelliğine ilişkin P olasılığı denir. İncelenen taneciklerin yapılarına göre farklı istatistiklerden yararlanılır. Sözgelimi, Maxwell- Boltzmann istatistiği, termodinamikte gazların incelenmesinde kullanılır; enerjinin eşit oranda dağılma kuralını ve gazlarla katiların kütle ısılarıyla ilgili yasaları belirlemeye yarar. İstatistikten yararlanan bu klasik mekanik her taneciğin, sözgelimi bir sıra numarasına sahip belirli bir birey olduğu düşüncesine dayanır. İstatistikten yararlanan kuvantum mekaniğiyse bunun karşıtı bir ilkeye dayanır: Buna göre, aynı duruma sahip olan tanecikler ayırt edilemez. Bu da başka istatistiklerden yararlanmaya yol açar. Ele alman taneciklerin yapısına, özellikle de taneciklerin aynı bir kuvantum durumunda herhangi bir sayıda bulunup bulunamayacaklarına göre Bose-Einstein ya da Fermi-Dirac istatistiklerinden yararlanılır. Bununla ilgili olarak, taneciklere bozon ve fermiyon adı verilir. Foton ve mezonlar bozon; elektron, proton ve nötronlarsa fermiyondurlar.