Kuvvet nedir?
Fizikte kuvvet, kütleli bir cisme hareket kazandıran etkidir. Hem yönü hem de büyüklüğü olan kuvvet vektörel bir niceliktir.
Newton'un ikinci yasasına göre sabit kütleli bir cisim, üzerine uygulanan net kuvvetle doğru cismin kütlesi ile ters orantılı bir şekilde hızlanır. Bir cisme uygulanan net kuvvet cismin kazandığı momentumun zamana bağlı değişimine eşittir. Üç boyutlu nesnelere uygulanan kuvvet de nesnenin dönmesine, şeklinin bozulmasına, basınçta değişime ve bazı durumlarda hacmin değişimine sebep olabilir. Bir eksen etrafında dönme hızında değişime sebep olan kuvvet eğilimine tork denir.
Deformasyon(şekil değişikliği) ve basınç bir nesne dahilindeki zorlama kuvvetlerinin sonucudur. Eski zamanlardan beri bilim insanları kuvvet kavramını durağan ve hareket eden nesnelerin araştırmalarında kullanır. M.Ö. üçüncü yüzyıl filozofu Arşimet basit makineler üzerindeki çalışmalarıyla ilerleme kaydettiyse de Aristo tarafından yapılan kuvvet tanımının beraberinde getirdiği temel yanlış anlamalar yüzyıllar boyunca sürdü.
On yedinci yüzyılla birlikte Sir Isaac Newton'un matematiksel içgörü ile yaptığı düzeltmeler yaklaşık üç yüz yıl boyunca değişmeden kaldı. Yirminci yüzyılın başlarında Einstein, genel görelilik teorisinde uzay-zaman sürekliliği kavramıyla Newton'un kütle çekim modelinin hatasını başarılı bir şekilde öngördü.
Kuvvet vektörel bir büyüklüktür. Dolayısıyla vektörlerle ilgili bütün özellikler kuvvetler içinde geçerlidir. Kuvvet "F" harfi ile gösterilir ve "dinamometre" denilen yaylı kantarla ölçülür. Kuvvet kavramı ilk olarak klasik mekaniğin ikinci hareket yasasında görülmektedir. Bir cisim üzerine etkiyen bir net kuvvet onun momentumunun değişmesine neden olur.
Fizikte kuvvet kavramı: Fizikte, kuvvet bir büyüklük olarak alındığından ölçülmesi önemli bir yer tutar.
Kuvvetin ölçülmesi: Kuvveti ölçen aletlerden en yaygını terazidir. Bunlar, çekmeli olabildiği gibi, burulmalı da olur. Bu aletlerde belli bir kuvvete göre ölçek düzenlenir. Ölçülen kuvvetler, bu kuvvetin katları olarak belirlenir.
Kuvvet birimleri: Kuvvet gibi ölçülebilen büyüklükler, standart birimlerle ifade edilebilir. Genel olarak iki çeşit birim sistemi, dolayısıyla üç kuvvet birimi kullanılır: Metre-Kilogram-Saniye (mks) sisteminde kuvvet birimi Newton’dur. Santimetre-Gram-Saniye “cgs” sisteminde ise kuvvet birimi (dyn) dir. Bunların katları da kullanılır. Her iki sistemin de kolaylık sağladığı yerler vardır.
Kuvvetin bileşkesi: Kuvvetler ölçülürken, sadece şiddeti değil doğrultu ve yönü de dikkate alınır. Doğrultu, yön ve şiddeti ile belirlenen büyüklüklere vektörel büyüklük denir. İki veya daha fazla kuvvete maruz kalan bir cisimde, bu kuvvetleri toplayıp ortaya tek bir bileşke kuvvet çıkarılabilir. Bu tür toplamaya vektör toplaması denir. Bileşke kuvveti bulmak için üç çeşit yol bulunmaktadır: Bunlardan ilk ikisi grafik yolla, üçüncüsü basit cebir işlemlerle analitik olarak yapılır. ( Bileşke)
Kuvvetler ve denge: Öteleme dengesi: Birden fazla kuvvetin etki ettiği bir cismin dengede durması için etkiyen kuvvetlerin bileşkesinin sıfır olması gerekir. Ancak bileşkenin sıfır olmasına karşılık, cisim dengede olmayabilir ve sabit bir hızla bir doğru üzerinde hareket etmekte olabilir. Bu iki durum arasındaki tek fark, referans sisteminin farklı seçilmesidir. İkinci durumda hızın yönü ve değeri sabittir. Buna düzgün hareket de denir.
1687’de Newton, yazdığı Principia adlı eserinde kendi ismiyle bilinen bu konuyla ilgili ilk kanunu “Her cisim dengesine veya bir doğru üzerindeki düzgün hareketine bir kuvvet etki edinceye kadar devam eder.” şeklindedir. Bu deneyler ve gözlemler sonucu elde edilmiştir.
Dönme dengesi: Newton’un ilk kanunu dönme hareketi için de geçerlidir. Yani sabit hızla dönen bir cisim bir etkiye maruz oluncaya kadar dönmesine devam eder. Öteleme hareketinde kuvvet ne ise, moment de burada benzer durumdadır. Bir kuvvetin momenti, o kuvvetin şiddeti ile dönme eksenine olan dik uzaklığın çarpımına eşittir. Dönme hareketinde bir momentin mevcudiyeti, dönme hızının artmasına sebep olur.
Kuvvet türleri: Beş türlü etkinin kuvvet ortaya çıkardığı bilinmektedir.
Kütle çekim kuvveti: Deney ve gözlemlere dayanan bu kuvvet, Johannes Kepler tarafından F= km1m2/r2 olarak ifade edilmiştir. Burada m1 ve m2 sözkonusu olan iki cismin kütlelerini k orantı katsayısını ve r de aradaki mesafeyi göstermektedir.
Coriolis kuvveti: Dönen bir referans sisteminde, hareket eden cisme tesir eden kuvvettir. İlk defa Fransız matematik ve fizikçiGaspard Gustave de Coriolis tarafından bu kuvvetler için tatmin edici bir açıklama getirilmiştir. Coriolis, mekanik konusunda pek çok yazı yazmıştır. Bilardo topunun hareketini açıklayan makalesi meşhurdur. İş ve kinetik enerjinin modern tariflerini vermiştir.
1835’de yazdığı yazıda, havaya düşey atılan bir topun dönen dünyanın merkezine olan mesafesi büyüyecektir. Tekrar yerine düşmesinde atıldığı noktanın aynı zaman aralığında aldığı mesafeden daha büyük bir yay boyunca hareket eder. Bu, topun bir çeşit ivmelendirilmiş olması gerektiği ve dolayısıyla kuvvet etkisi altında bulunduğunu gösterir. Bu kuvvetlere “Coriolis kuvveti” denir. Bu tür kuvvetler, meteorolojide ve okyanus biliminde önemlidir. Genel olarak dönen bir referans sisteminde hareket eden cismin yörüngesine dik olarak etki eder. Bunlar görünen zahiri kuvvetlerdir.
Mesela; dönen bir plak üzerine düz bir çizgi eğri şeklinde belirir. Eğer plak ortasında bir gözleyici bulunursa, o kimse tepesinin bir kuvvetle kenara doğru itildiği zannına kapılır. Benzer olay, dünya gibi üç boyutlu dönen bir sisteme nazaran hareket ettiğinde müşahede edilir. Rüzgar ve okyanus akımlarında bu kuvvetin etkisi görülür. Yörüngelerine dik hareket etme eğilimi gösterirler, bu kuvvetler uzun menzilli füzelerin yörüngelerinin hesaplanmasında önemli rol oynar.
Elektronik kuvvetler: Bunlar elektromağnetik etkileşim sonucu ortaya çıkar. Bunlardan “elektrostatik kuvvet” F, iki elektrik yüklü cisimler arasında ortaya çıkar. Bu kuvvetin ifadesi, “Coulomb kanunu” olarak bilinir. F= kq1q2/r2 olarak ifade edilir. Burada, q1 ve q2 cisimlerin elektrik yükünü, “k” orantı katsayısını ve “r” de aradaki mesafeyi göstermektedir. Elektrik yüklerinin aynı işarette veya farklı işarette olmasına göre kuvvet, itme veya çekme kuvveti olarak ortaya çıkar.
Elektrostatik kuvvetler: Yakın bir şekilde mağnetik kuvvetlerle ilgilidirler. Elektrik yüklerinin birbirlerine göre hareket halinde bulunmasıyla mağnetik kuvvetler ortaya çıkar. Gerçekte elektromağnetik kuvvetler, tamamen gözleyenin seçtiği referans eksenine bağlıdır. Modern fizikte, elektromağnetik etkileşim, en açık anlaşılan türden bir etkileşimdir.
Nükleer kuvvetler: İki tür nükleer kuvvetin varlığı söz konusudur. Bunlardan “kuvvetli” olanlar atom çekirdeğindeki proton ve nötronları birbirlerine bağlar. “Zayıf” olanlar ise nükleer ve parçacık bozulmalarında rol oynarlar. Bu iki tür kuvvet, diğerlerine nazaran daha az anlaşılmıştır.
Çift Yönlü kuvvetler: İki nesne birbirlerine karşı güç kullanırlar. Bu güç zıt yönlü fakat eşit büyüklüktedir. Duvardan gelen güç ile arabanın gücü eşittir.
Dengelenmiş kuvvetler: Eğer cisme uygulanan kuvvet bir başka kuvvet ile dengelenirse cisim hareket etmez. Eğer cisim hareket ediyorsa sabit hızla hareketine devam eder. Aracın ileriye doğru hareketine eşit değerde hava ve yoldan kaynaklanan sürtünme kuvveti vardır. Dolayısıyla araç sabit hızla hareketine devam eder.
Dengesiz kuvvetler: Arabanın hızına uygulanan kuvvet değiştiğinde denge bozulur. Eğer arabanın hızı sürtünme kuvvetinden fazla ise araba ivme kazanır. Eğer sürtünme kuvveti arabanın hızından büyük ise araç yavaşlar. Kuvvetler farklılığa bağlı olarak araç ya hızlanır ya da yavaşlar. Duran bir cisme uygulanan kuvvet dengelenemiyorsa cisim o yönde harekete başlar.
Kuvvet, kütle ve ivme: Nesnenin ivme kazanabilmesi için mutlaka kuvvetin dengelenmemiş olması gerekir. Daha fazla kuvvet uygulanırsa daha fazla ivme kazanılır. Bir cismin ivme kazanmasında kütlesi de önemlidir. Büyüklükleri farklı olan cisimlere eşit kuvvetler uygulanırsa kütlesi küçük olan daha büyük ivme kazanır. Çift katlı otobüs ile mini bir arabanın itilmesini düşünün, iki aracı hızlandırabilmek için tabi ki otobüse çok daha fazla kuvvet uygulamamız gerekir.