Kuvvet nedir?
Düşünürler ve bilim adamları içinde yaşadığımız doğayı anlamaya ve açıklamaya çalışmışlardı. Doğada, üzerinde düşünülen ve açıklanmaya çalışılan en önemli kavramlardan birisi cisimlerin neden ve nasıl hareket ettikleriydi. Yunan düşünürü Aristo’ya göre hareket anlaşılmadan doğanın anlaşılması imkânsızdı. Aristo cisimlerin hareketini iki şekilde açıklamıştı: Doğal hareket ve Zorlanmış hareket. Doğal harekette cisimler kendi doğalarında var olan eğilime göre hareket ederlerdi. Doğada yer alan bir taşın doğal yeri yeryüzü olduğu için, serbest bırakıldığında yere doğru hareket ederdi. Duman göğe aitti ve yukarı yükselmesi gerekirdi. Doğal olmayan yani zorlanmış hareketler, hareket ettirici bir kuvvete ihtiyaç duyarlardı. Mesela; at, arabayı çekmeyi bırakırsa, araba dururdu. Yani, hareket kuvvet var olduğu sürece devam eder, kuvvet ortadan kalktığı zaman sona ererdi. Ayrıca Aristo’ya göre bütün hareketler harekete direnç gösteren bir ortamda gerçekleşirdi. Aristo direnç gösteren bu kuvvetin cismin hareketi ile ters orantılı olduğunu düşünüyordu. Özetle, Aristo’nun zorlanmış hareket olarak tanımladığı hareket iki kuvvetin etkisinde gerçekleşirdi. Biri hareketin nedeni olan kuvvet, diğeri de ortamın direnç kuvvetiydi. Zorlanmış hareketin açıklanması, kuvvet kavramının da bilim tarihindeki ilk temelini oluşturuyordu.
Fakat hala açıklanması ve anlaşılması gereken ve cevabı bulunamamış sorular vardı: fırlatılan bir top elden çıktıktan sonra da hareketine nasıl devam ediyordu?
Philoponus Aristo’nun harekete üzerine açıklamalarını yetersiz bulan ve düşüncelerini sorgulayan ilk bilim adamıydı. Philoponus, elden çıkan topun ya da yaydan çıkan bir okun nasıl olup da bir süre havada ilerleyip daha sonra düştüğünü merak ediyordu. Philoponus bu cisimlerin hareketini açıklamak için impetus fikrinin temellerini attı. Ona göre cisim havaya atıldığında cisme bir impetus uygulanırdı. Cisim elden çıktıktan sonraki hareketten impetus sorumluydu. İmpetus görünmezdi ve impetusla aynı yönlü olarak cisimleri hareket ettirebiliyordu. Bir cisimden diğer bir cisme transfer edilebilirdi. Cisim impetusun gücüne göre hareket ederdi. İmpetus ortamın direncine göre zayıflayabilirdi. İmpetus sadece doğrusal ya da dairesel olacağından cisimlerde bu şekilde hareket edebilirdi. İmpetus kavramı bilimde yüzyıllarca Galieo, Buridan gibi ünlü bilim adamları tarafından kabul edilmiş ve cisimlerin hareketi üzerine açıklamalar impetus teorisi ile açıklanmıştı.
Tanımladığı kuvvet kavramı ile impetus teorisini tarihe gömen Newton da öğrenciyken bu açıklamaları kullanıyordu. Tanımladığı kuvvet kavramı ile impetus fiziğini tarihe gömen Newton da öğrenciyken bu açıklamaları kullanıyordu. Oysaki zaman geçtikçe impetus teorisinin doğada meydana gelen bazı olayları açıklayamadığı ortaya çıkmış ve bilim insanları tarafından bu teori sorgulanır hale gelmişti. Newton birçok değerli bilim insanının kendisinden önce yaptığı çalışmaları bir araya getirterek kendi kuvvet kavramını oluşturmuştu. Newton kendi ifadeleriyle bunu “Eğer ileriyi görebildiysem devlerin omuzları üzerinde yükseldiğim içindir” diyerek vurgulamıştı.
Newton’a göre kuvvet hareketin tek nedeni olmamalıydı. Ona göre bir kuvvet etki etmedikçe cisim hareketini korurdu, yani duruyorsa durmaya devam eder, hareketliyse hareketini aynı şekilde sürdürürdü. Kuvvet bir cismi durdurabilir ya da harekete geçirebilirdi ama hareketin devam etmesi için sürekli kuvvet uygulanması ya da impetus gibi itici bir kuvvet şart değildi. Bu düşünceler Newton’u unutulmaz yapacak olan kuvvet yasalarının da temelini oluşturuyordu.
Elmaya aslında ne oldu?
Newton elma ağacının altında otururken kafasına bir elma düşer ve o elma büyük bir bilimsel keşfe neden olur. Gerçekten elma Newton’un kafasına mı düşmüştü bilinmez ama Newton’un kütle çekimi üzerinde uzun uzun düşünmesine neden olan bir elmanın düşüşüydü.
Dünya’dan daha yükseğe çıkıldıkça, mesela Ay’a dünyanın çekim kütlesi etki eder mi?
Aristo ile başlayan Galileo ile devam eden cisimlerin düşmesi ve yerçekimi kavramları Newton’un zamanında çok iyi bilinen bir olguydu. Newton bir elmanın ağaçtan düşüşüne baktı. Elma iki kat fazla yükseklikte ya da ağacın en tepesinde bile olsa yine yer çekimi etki edecekti. Elma ağacı daha da yükselse, Ay’ın olduğu uzaklıkta olsa kütle çekimi aynı mı kalırdı? Eğer aynı kalıyorsa, elmanın yere düştüğü gibi Ay’ın da Dünya’ya düşmesi gerekmez miydi?
Neden ay dünyaya düşmüyor?
Newton elmanın düşüşündeki kuvveti düşündü. Sonra da gökyüzündeki Ay’ın havada tutan kuvvet ile bir ilişki kurmaya çalıştı ve bir düşünce deneyine başladı.
Newton harekete geçirilmiş olan, örneğin elle atılmış bir top mermisinin kütle çekimi nedeniyle yere geri geleceğini biliyordu. So
nra, top mermisini Şekil 2 deki gibi topla dünyadan boşluğa fırlatmayı düşündü. Top elle fırlattığından daha uzağa gidecekti ama yine de yere geri düşecekti. Daha büyük yaylarla çok daha uzağa atabilmiş olsaydı ne olurdu? Newton, eğer daha uzağa atabilseydi, top mermisinin dünyayı terk edip tıpkı Ay gibi yörüngeye oturacağını düşündü. (Uzay araçlarının yörüngeye girmesi gibi, top mermisi de yörüngeye girerdi.)
Bu nasıl olabilir? Neden Ay daha da uzaklaşmaz ya da dünyaya geri dönmez?
Newton Ay’ı çok büyük bir elma gibi düşündü. Başımızın üstünde çevirdiğimizde bir ipin ucundaki cismin uzaklaşmak istediği gibi, Ay dünya etrafında dönerken, dünyadan uzaklaşmak isteyecekti ama dünyanın çekimi ayı kendine çekecekti, aynı elmayı çektiği gibi. Bu da bir yörünge oluşmasında neden olacaktı. Yörüngenin oluşması dünyanın çekimi ile ayın uzaklaşma isteği arasındaki mükemmel uyumunun bir sonucuydu.
Newton düşüncelerini açıklamak için matematik dilini kullanıyordu. Ayın nasıl olup da bir yörüngede kaldığını anlayabilmek için hesaplar yapmaya başladı. Yaptığı matematiksel işlemler sonucunda sadece dünyanın değil tüm cisimlerin bir çekim gücü olması gerektiğine karar verdi. Elmanın dünya üzerinde bir çekim gücü olduğunu düşünmek saçma görünebilirdi, ama cisimler büyüdükçe işler değişiyordu. Newton Ay’ın fark edilir yerçekimsel etkiler oluşturabilecek kadar büyük olduğunun farkına varmıştı. Ay’ın Dünya’daki denizleri kendisine çekerek suyun yüksek dalgalar oluşturarak kabarmasına veya çekilmesine neden olabiliyordu.