Kütlesel Çekim veya Yerçekimi
Basit bir tanımlamayla, yerçekimi, yeryüzündeki cisimleri yere doğru çeken kuvvettir.
Her cismin diğer cisimler üzerinde belirli bir "çekimsel" kuvveti vardır. Bu çekim kuvveti, söz konusu cisimlerin kitlesine ve birbirine olan mesafesine bağlıdır. Cisimler ağırlaştıkça ve aralarındaki mesafe azaldıkça, birbirleri üzerindeki çekim kuvveti büyür. Astronomlar ve bilim adamları, gökyüzündeki cisimlerin (ay, gezegenler, vs.) bulundukları durumda düşmeksizin kalmalarını bu kanunla açıklamaktadırlar. Her cisme etki yapan yerçekimi kuvveti eşit değildir. Bir cismin düşmesini önlemek, o cismi etkileyen yerçekimi ivmesine eşit, ancak zıt yönlü başka bir kuvvetin etkisiyle mümkün olabilir. Yerçekimi ivmesi sabit (değişmez) bir değerdir. Bir cismin kütlesi ile yerçekimi ivmesinin çarpılması sonucu, o cismin ağırlığı bulunur.
Newton, Galileo'nun sarkaç deneylerini ((( Galilenin sarkaç deneyi
Galileo, babasının isteğine uyarak, Pisa Üniversitesinde tıp öğrenimine başladı. Buluşlarından ilkini 1581 yılında 17 yaşındayken yapmıştır. Pisa Katedralinde ayinlere katılırken, şamdanların rüzgâr etkisiyle uzun koridorlarda salınımlarını gözlemlemiştir. Salınımların genlikleri ne kadar olursa olsun geçen zamanın aynı olduğunu nabız atışlarını sayarak bulmuştur. Eve döndüğünde aynı uzunlukta iki sarkaç yaparak bu gözlemini tekrarlamış, salınım zamanının genlikten bağımsız olduğunu görmüştür. Salınım süresini değiştirmenin tek yolu sarkacın uzunluğunu değiştirmekti. Galileo bu buluşunu para kazanmak için piyasadaki doktorlara satmak üzere bir ölçme aleti yapmıştır. Bu, boyu değişken olan, ipten yapılmış bir sarkaçtı. Doktor, salınımlar hastanın nabız atışlarıyla aynı olacak şekilde sarkacın boyunu ayarlayabiliyor; başka bir günde de tekrar ölçüm alıp iki sonucu karşılaştırarak hastanın durumundaki gelişmeyi anlayabiliyordu. )))
inceledi ve buradan boşlukta serbestçe dolaşan gezegenlere etkiyen bir çekimin bulunması gerektiği sonucuna kolayca vardı. Gezegenler, eliptik yörüngeler izliyordu. Bu yörüngeler üzerinde dolanırken Güneş'e daha yakın oldukları yerlerde hızları artıyor, sonra Güneş'ten uzaklaştıkça hızları azalıyordu.
Newton kuvveti şöyle tanımlıyor: Kuvvet, cisimleri hareketsizlik durumu ya da düzgün hareketi değiştirecek biçimde etkileyen bir eylemdir. merkezcil bir kuvvet, cisimleri bir merkeze ya da belli bir noktaya doğru çeker ya da çekilme eğilimi içinde bulunmalarına yolaçar.
Böylece Dünya, Ay'ı etkilediği zaman ona bir kuvvet uyguluyordu. Ay, Dünya'dan ne kadar uzaksa bu kuvvet de o kadar zayıftı. Daha kesin olarak söylenirse Newton, uzaklık iki kat olunca, kuvvetin ilk değerinin dörtte birine indiğini varsaydı. İki madde birbirlerini kütlelerinin çarpımı ile doğru. aralarındaki uzaklığın karesi ile ters orantılı bir kuvvetle çeker. Bunların hepsi çekim sabiti denen evrensel bir sabitle ( çekim sabiti ) çarpılır.
Kütle çekim alanlarının temel nitelikleri şöyle sıralanabilir:
v Kütle çekim kuvvetleri Evrenseldir.
v Yani Evrendeki her cisim bu kuvvetlerden etkilenir.
v Bir kütle çekim alanı mutlaka çekici kuvvetlere neden olur.
v Kütle çekim alanları, uzun erimlidir; yani bir cismin etrafında oluşan çekim alanının etkileri zayıflayarak da olsa çok uzak mesafelere kadar uzanabilir.
"Duran iki cisim düşünüldüğünde, bu iki cismin birbirine etki ettirdiği çekim kuvveti; cisimlerin arasındaki uzaklığın karesi ile ters, cisimlerin kütleleri ile doğru orantılıdır." Newton böylece doğanın temel sabitlerinden birini de bulmuştu.
Cisimlerin arasındaki kütle çekim kuvvetine ilişkin ilk hesaplamaları Newton yapmıştır. Bu nedenle buna Newton Genel Çekim Yasası denir. Newton yasasına göre, cisimlerin kütleleri ne olursa olsun, birbirlerini eşit şiddette ve ters yönde çekerler. Diğer bir ifade ile kütleler arasındaki çekim yasası;
a) Cisimlerin kütlelerinin çarpımı ile doğru orantılı,
b) Cisimlerin arasındaki uzaklığın karesi ile ters orantılıdır,
c) Çekim kuvveti, kütleleri birleştiren doğru boyunca ve ters yönlüdür. Yani;
Dünyanın cisimlere uyguladığı çekim kuvveti dünyanın merkezine doğrudur. Bu çekim kuvvetinin şiddeti ise, cisimlerin kütlelerine göre değişiklik gösterir. Dünyanın bir cisme uyguladığı bu çekim kuvvetine cismin ağırlığı denir. Cismin kütlesi m, yer çekimi ivmesi g olduğuna göre bir cismin ağırlığı (G);
G = mg' dir.
Newton, Ay’ı yörüngede tutan çekimin, nesneleri Dünya’ya çeken kuvvetle aynı şey olabileceğini düşündü. Daha sonra Newton birçok yeni şey ortaya çıkardı. Çekim Yasası'nın ters kare olması durumunda yörüngenin şeklinin ne olacağını hesapladı ve bunu bir elips olarak buldu.
Ayrıca birçok farklı olaya da açıklama getirildi. Bunlardan biri gel-git olayıydı. Gel-git, Dünya ve denizlerin Ay tarafından çekilmesinden kaynaklanıyordu. Bu, daha önceleri de düşünülmüştü; ancak ortada bir pürüz vardı: Olay, Ay’ın denizleri çekmesinden kaynaklanıyorsa Ay’ın bulunduğu taraftaki sular yükselecek, o zaman günde ancak bir gel-git olacaktı.
Gerçekte ise yaklaşık oniki saatte bir, yani günde iki gel-git olduğunu biliyoruz. Farklı bir sonuca varan bir düşünce ekolü daha vardı. Buna göre de Dünya, Ay tarafından suyun dışına çekiliyordu. Gerçekte ne olup bittiğini ilk farkeden Newton oldu: Ay’ın aynı uzaklıktaki kara ve denizler üzerindeki çekim kuvveti aynıydı.
Yerçekimi
Havaya fırlatılan bir taşın önünde sonunda yere düştüğünü herkes bilir. Taşın düşmesine neden olan, Dünya'nın çekme kuvvetidir ve bu kuvvete yerçekimi kuvveti denir. 17. yüzyılda Sir Isaac Newton, herhangi iki cismin birbiri üzerinde çekim kuvveti uyguladığını bulmuş ve cisimlerin kütlesinden kaynaklanan bu kuvveti kütle çekim kuvveti olarak adlandırmıştır. Yerçekimi de bir tür kütle çekim kuvvetidir. İÖ 4. yüzyılda yaşamış olan Eski Yunanlı filozof Aristo, ağır cisimlerin hafif olanlardan daha hızlı düştüğünü ileri sürmüştü. Bu düşünce, İtalyan bilim adamı Galileo Galileri’nin (1564-1642), bütün cisimlerin (hava direncinin etkisi bir yana bırakılırsa) aynı hızla düştüğünü ve düşen bir cismin ulaştığı hızın yalnızca düştüğü yüksekliğe bağlı olduğunu kanıtlamasına kadar geçerliliğini korudu. Galileo, düşen cisimlere ilişkin iki yararlı kural buldu. Bunlardan birincisi, düşen bir cismin hızının her saniye, saniyede
Alman astronom Johannes Kepler (1571-1630), Danimarkalı arkadaşı Tycho Brahe'nin (1546-1601) gözlemlerinden ((( Brahe çok zengindi. Kendine ait bir adası vardı. Burada gerekli araçları kullanarak gezegenlerin hareketlerini incelemiş ve sonuçlarını kepler e göndermiştir. ))) yararlanarak gezegenlerin Güneş'in çevresinde dolanırken izledikleri kesin yörüngeleri (( Yörüngeler Kanunu )) saptadı; daha sonra İngiliz Sir Isaac Newton gezegenlerin bu tür yörüngeler izlemelerinin nedenini açıklayan evrensel kütle çekim yasasını ortaya koydu
Newton yasasına göre, evrendeki her madde parçacığı bütün öbür parçacıkları çeker. Çekim kuvveti iki özelliğe bağlıdır: Parçacık kütlelerinin (içerdikleri madde miktarlarının) çarpımına ve aralarındaki uzaklığa. Bu kuvvet, kütlelerin çarpımıyla doğru, aralarındaki uzaklığın karesiyle ters orantılıdır. Buna göre, parçacıklardan birinin kütlesi iki katına çıkarılırsa, çekim kuvveti de ikiye katlanır; ama, parçacıklar arasındaki uzaklık iki katına çıkarılırsa çekim kuvveti dörtte birine iner. Newton bu önemli yasayı Ay'ın Dünya çevresindeki yörüngesini hesap etmek için kullanarak sınadı ve yasa doğru sonuç verdi. Fizikçiler kütle çekim etkileşiminden, graviton (((Graviton, bugüne kadar varlığı kanıtlanamamış, kütleçekim kuvvetini ilettiği varsayılan, sanal bir parçacıktır. Gelecekte bulunması halinde Einstein'ın Genel Görelilik teorisinin önemli bir parçasıdır.Graviton varlığı etkileri sayesinde bilinmektedir fakat onu ölçmek yada gözlemlemek şimdilik imkansızdır, bunun sebebi graviton'un maddenin temelini oluşturmasıdır. Gluon atom çekirdeğini bir arada tutan kuvvetin parçacığı olarak adlandırılır))) adı verilen bir parçacığın sorumlu olduğunu ileri sürmektedirler. Yüksekten bırakılan bir gülle, Dünya ile gülle arasındaki çekim kuvveti nedeniyle yeryüzüne düşer. Güllenin kütlesi iki katına çıkarılırsa kuvvet de iki katına çıkar; ama, hızlandırılacak madde miktarı da iki katma çıktığından gülle (Galileo'nun söylediği gibi) gene aynı hızla düşer. 1820'lerde, o zamanlar Güneş'e en uzak gezegen olarak bilinen Uranüs'ün beklenen yörüngede hareket etmediği keşfedildi. Ya Newton'in yasası yanlıştı ya da Uranüs'ün ötesinde onu çeken bir başka gezegen vardı. Bir İngiliz ve bir Fransız astronom, birbirlerinden habersiz olarak, bu bilinmeyen gezegenin izlemesi gereken yörüngeyi hesap ettiler ve öteki astronomlara bu gezegeni bulmak için gökyüzünde nereye bakmaları gerektiğini söylediler. Böylece 1846'da Neptün bulundu ve Newton yasası doğrulandı. 1930'da, daha da uzaktaki gezegen Plüton da hemen hemen aynı biçimde keşfedildi.
Kütle çekim kuvveti, her cismin ağırlığı ağırlık merkezi denen bir noktada yoğunlaşmış gibi etkide bulunur. Küre ya da küp gibi düzgün cisimlerde bu nokta cismin tam ortasında yer alır. Başka cisimlerde ise bu noktanın yeri cismin serbestçe bir ipe asılmasıyla bulunabilir; bu durumda cisim, ağırlık merkezi ipin doğrudan altına gelecek biçimde bir konum kazanır. Bir cismin ağırlık merkezinin yeri bazen önem kazanır. Örneğin yüksek taşıtlar, ağırlık merkezleri aşağıda kalacak biçimde tasarımlanır; böylece aracın "havaleli" olması (ağırlığın tepede kalması) önlenir. Böylece taşıt, ancak ağırlık merkezi tekerleklerinin dışına çıkacak kadar yana yatarsa devrilir. Cismin üzerinde etkiyen kütleçekim kuvvetine o cismin ağırlığı denir; kütlesi
Newton kütle çekimiyle ilgili çalışmaları sırasında, yüksek bir kayalığın tepesinden yatay olarak fırlatılan cisimlerin izlediği yolu da inceledi. Bu cisimler yerçekiminin etkisiyle, havada bir eğri çizerek yere düşüyordu. Newton yeterince yüksek bir hızla fırlatılan bir cismin yol eğrisinin yeryüzü eğrisiyle aynı olacağını ve bu cismin tıpkı Ay gibi Dünya'nın çevresinde dolanacağını ileri.sürdü. Newton'in bu düşüncesi doğruydu; ama, bu iş için cismin çok hızlı, saatte yaklaşık 28.000 kilometrelik bir hızla atmosferin dışına fırlatılması gerekiyordu; aksi takdirde cisim karşılaşacağı hava direnci nedeniyle hızla yavaşlayacak ve yere düşecekti. Oysa Dünya'dan yeterince yükseğe çıkarılabilmiş bir cisim hava direnciyle karşılaşmaz ve dolayısıyla da hız kaybetmeksizin Dünya'nın çevresinde birçok kez dolanabilir. Bugün yapma uydu denen ve roketle atmosfer dışına gönderilen birçok cisim vardır.
Soruların cevapları
1)NEWTON
Masa üzerindeki bir kitabı inceleyelim. Kitaba herhangi bir etki olmadıkça kitap, masa üzerinde hareketsiz kalır. Şimdi, kitabı yatay doğrultuda sürtünme kuvvetini yenecek büyüklükte bir kuvvetle sağa doğru itelim. Sürtünme kuvveti kitapla masa arasında var olan bir kuvvettir. Kitaba uygulanan kuvvet, sürtünme kuvvetine eşit ve zıt yönlü ise kitap sabit bir hızla hareket edebilecektir. Uygulanan kuvvet sürtünme kuvvetinden büyükse kitap ivmelenir. Uygulanan kuvvet ortadan kalkarsa sürtünme kuvvetinin etkisi ile kısa bir süre hareket ettikten sonra durur (negatif ivmelenme sonucu).
Şimdi, kitabın karşıdan karşıya kaygan hale getirilmiş yüzeyde itildiğini düşünelim. Kitap, yine duracak fakat önceki durumda olduğu gibi çabucak durmayacaktır. Döşemeyi, sürtünmeyi tamamen ortadan kaldıracak kadar cilalar, parlatırsanız kitap, bir defa harekete geçtikten sonra, karşı duvara çarpıncaya kadar aynı hızla hareket edecektir.
GALİLEO
Sarkaç deneyini ortaya koymuştur. Galileo Dünya’daki sıradan cisimlerin hareket kurallarını inceliyor, bu inceleme sırasında da bazı deneyler yapıyordu. Toplar eğik bir düzlemden aşağı doğru nasıl yuvarlanıyor, sarkaçlar nasıl sallanıyordu?Galileo "eylemsizlik ilkesi" denilen önemli bir kural keşfetti.
EİNSTEİN
1907 Kasımına kadar, Einstein'ın bu soruyu yanıtlamaya nasıl başlayacağı konusunda en ufak bir fikri yoktu. Bir gün, çalışma sırasında, aklından çatıdan düşen bir adamın hayali geçti.
Çatıdan düşen bir adamın, en azından, yerçekimi etkisinde olduğu kesindi. Başka ne olabilirdi? Galileo'nun gemisindeki gözlemcinin, geminin kıyıdan değil de kıyının gemiden uzaklaştığını düşündüğü gibi, çatıdan düşen adam da kendisinin durağan, evrenin geriye kalanının da hareket ettiğini düşünebilirdi. Einstein, bu durumda, çatı adamdan uzaklaşırken ve zemin kendisine doğru yaklaşırken, adamın, yerçekiminin hiçbir etkisini hissetmeyeceğini düşündü.
Öyleyse adam yerçekimi etkisini ne zaman hisseder? Yanıtın, serbestçe düşerken değil, çatıda dururken olduğu kesin. Vücudunun ağırlığı, ayaklarının altındaki çatının yerçekimi alanı etkisine karşı direncidir: yerçekimi onu yere doğru bastıran bir su akımı gibi etki yapmaktadır.
ARİSTO
Aristo’nun, bir cismin önce, hareketine devam edebilmesi için üzerine bir kuvvet etki etmesi gerektiği fikri kabul ediliyordu. Ayrıca, “serbest bırakılan bir cisim ne kadar ağırsa o kadar çabuk düşer” konusu da, Aristo’dan beri doğru zannedilmesine rağmen, Galile ve Newton’un deneyleriyle yanlış olduğu ispatlandı. Yeryüzünde serbest bırakılan bir cismin hareketi (hava direnci, cismin ağırlığına ve dik kesitine göre oldukça küçük olduğu müddetçe) cismin kütlesine bağlı değildi. Dolayısıyla aynı yükseklikten bırakılan farklı cisimler yere aynı zamanda ulaşıyorlardı. Fizikte yaşanan bu ve benzeri gelişmeler bilimin şu genel kaidesini ortaya koydu. “Kainattaki eşyanın tabi olduğu kanunlar ancak gözlem ve deney yoluyla, yani kainatı bir kitaba benzetirsek, bu kitabı okuyarak ve okuduktan sonra üzerinde düşünerek keşfedilebilir.” Burada, bilim adamlarına düşen görev, kainatta geçerli olan kanunları ve temel gerçekleri, bilimdeki deney ve gözlem metodlarıyla keşfetmeğe çalışmak, filozof ve düşünürlere düşen görev de, bunlar üzerinde düşünmek olmalıdır. Yani, kainatı doğru bir şekilde anlayabilmek için öncelikle kafamızdaki her türlü önyargıyı bir tarafa koyup, kainattaki hadiseleri incelemeli, daha sonra da bu hadiseler arasındaki ilişkileri ve bu ilişkilerin ifade ettiği gerçekleri yorumlamalıyız.
2) Modern bilimin varlık ve hâdiseleri açıklama ve yorumlama tarzı, Eski Yunan düşünce mirasından beslenen felsefeye dayalıdır. Her ne kadar objektif olduğu ifade edilse de, modern bilim, belli bazı felsefî kabullerle yapıldığından objektifliği mutlak değil, izâfîdir. Bilim, felsefe ve ilâhiyatın farklılığı, bilginin kaynaklarına, bilgiyi elde ediş tarzlarına ve bilgi parçalarını yapılandırma usûllerine dayalıdır.
3) Eğer bir yasa doğru ise başka bir yasanın bulunmasına da yol açabilir. Eğer bir yasaya güveniyorsak, ona ters bir şeyin ortaya çıkması bizi başka bir olguya doğru yöneltir. Yerçekimi yasasını bilmeseydik Jüpiter’in gezegenlerinden ne bekleyeceğimizi de bilemezdik; ışığın hızını ölçmek ise çok daha sonralara atılmış olurdu.
4) Galileo'nun görüşleri yüzünden kilise yetkilileri onu yargıladılar. Ünlü bilim adamı suçlu bulundu. Görüşlerinin yanlış olduğunu açıklayarak canını zor kurtardı.Ancak tarih Galileo nun yanındaydı. Newton ise görüşlerinin eleştirilere hedef olmasından ve şiddetle eleştirilmesinden dolayı içine kapandı.
5) NEWTON
Newton bilindiği üzere yerçekimi etkisini göstererek asıl önemli olan kütle çekimini bulmuştur.Bu etkiyi diğer gök cisimlerine de uygulanmasında öncelikle ayı şeçmiş ve evrensel kütle çekimi kavramını genişletmiştir.Burada Newton kadar Keppler'inde bu konuda yaptıkları günümüzdeki çoğu evren olaylarının incelenmesinde büyük katkı sağlamıştır.
GALİLEO
Galileo durmaya ve hızlanmaya direnme (eylemsizlik) tabiatına sahip olduğu sonucuna da varmıştı. Bu yeni yaklaşım daha sonra Newton tarafından formülleştirilerek cisim durgun ise durgun kalacak bir cisme etki eden net kuvvet sıfırsa ivmesi de sıfırdır. Newton'un birinci yasası cilalı sürtünme kuvvetini önemsemeyerek bir buz kalıbını ittiğinizi düşünün. Buz kalıbı üzerinde yatay bir F kuvveti uygularsanız ona etkiyen bileşke kuvvet ile doğru orantılı olduğu sonucuna varırız. Peki bileşke kuvveti aynı tutarken cismin kütlesini iki katına çakrsak ne olur? İvme yarısına düşer; üç katına çıkarılırsa üçte birine düşer. Bu gözleme göre ona etki eden kuvvetle doğru orantılı
EİNSTEİN
Durumu daha anlaşılır yapmak için Einstein, dev bir vincin ivmeli bir hareketle yukarı doğru çektiği penceresiz bir asansör içindeki bir adamın durumunu ele aldı. Vinç asansörü yukarı çekerken, içindeki adam kendinin tabana doğru itildiğini hissedecektir. Eğer asansörün ivmesi, Dünya yüzeyindeki yerçekimi ivmesine (saniyede yaklaşık