Kuvvet Nedir? Ne Ile Ölçülür?
30.03.2018 - 00:29
Bu yazıda fizikte çok temel bir kavram olan kuvvet kavramı üzerinde duracağız. Önce kısaca kuvvet nedir ve ne ile nasıl ölçülür sorularını cevaplayalım. Ardından konuyla ilgili detaylı bilgi verelim.
Bir cismin hareketini veya şeklini değiştiren etkiye kuvvet denir. Kuvvet dinomometre ile ölçülür.
Kuvvet kavramı ile 4. 5. 6. sınıflarda ve ilerleyen lise dönemlerinde sürekli karşılaşmaktayız. Konuyu düzgün öğrenmek fizik dersinde başarılı olmamız için çok önemlidir. Bu yazıda kuvvet konusu üzerinde durarak konuyu öğrenmeye çalışacağız. Hiçbir zor örnek vermeden basit düzeyde kavramaya çalışacağız.
Kuvvetin ana sonucu etkidir. Kuvvet gözle görülen bir şey değildir. Kuvvetin etkisini görebiliriz. Bu etkinin doğal sonucu da değişimdir. Hareket eden bir cismin durması için ya da duran bir cismin harekete geçmesi için kuvvet gerekir. Bir cismin yönünü, hızını, doğrultusunu değiştirmek için de kuvvet gerekir. Cismin şekil ve yapısının değişmesi için de cisme kuvvet uygulanmalıdır.
Kuvvet Çeşitleri Nelerdir?
Doğada birçok kuvvet vardır. Bunların hepsinin ortak noktası etki yaratıp bu etki sonucunda değişikliğe neden olmaktır. Kuvvetin etki etmesi için bazen cisme temas etmek gerekir, bazen de gerekmez. Bu açıdan kuvveti en temelde ikiye ayırırız.
Temas gerektiren kuvvetler
Temas gerektirmeyen kuvvetler
Temas gerektiren kuvvetler şunlardır:
İtme ve çekme kuvvetleri
Hava direnci ve buhar kuvveti
Temas gerektirmeyen kuvvetler ise şunlardır:
Elektriksel ve manyetik kuvvetler
Görüldüğü gibi doğada birçok kuvvet bulunmaktadır. Kuvvet çeşitleri konusunda bu kuvvetleri ikiye ayırdığımızı daha önce de anlatmıştık.
Kuvvetin fiziksel manada birçok özelliği vardır. Bu özellikler üzerinde kısaca duralım.
Kuvvet vektörel bir büyüklüktür. Yani sadece bir sayı ile ifade edilmez. Yönü, doğrultusu ve uygulama noktası gibi özelliklerini bilmeden kuvvet hakkında kesin hükme varamayız.
Gözle görülmez bir kavramdır. Sadece etkileri gözlemlenebilir.
Yönlü vektörlerle ok şeklinde sembolize edilir.
F harfiyle ifade edilir. Bu harf İngilizcede kuvvet manasına gelen "force" kelimesinin kısaltmasıdır.
Birimi Newton'dur. Kısaca N harfiyle gösterilir. Örneğin 7N şeklinde.
Bir cisme etki eden birden fazla kuvvet varsa cisme bu kuvvetlerin vektörel toplamı uygulanıyor gibi kabul edilir.
Bir cisme etki eden bütün kuvvetlerin vektörel toplamına bileşke kuvvet denir. Bileşke kuvvet aynı zamanda cisme uygulanan net kuvvettir. Basit bir örnekle bileşke kuvveti öğrenelim.
Yukarıdaki örnekte bileşke kuvvet basitçe gösterilmiştir. Bir cismi 7N ile bir taraftan, 5N ile de diğer taraftan çekersek bileşke kuvvet bunların farkı olacaktır. Yani cisme tek başına 2N'luk bir kuvvet etki ediyor gibi olacaktır.
Bileşke kuvvet birden fazla kuvvetin sonucunda ortaya çıkan ve hepsini içinde barındıran tek kuvvettir. Fizikte R harfi ile ifade edilir.
Kuvvetin Ögeleri Nelerdir?
Bir kuvvetin tam olarak bilinmesi için dört elemanının (ögesinin) da bilinmesi gerekir. Kuvvetin döt ögesi şöyledir:
Kuvvetin uygulama noktası
Kuvvetin şiddeti (büyüklüğü)
Bu özelliklerden biri eksikse kuvveti tam olarak ifade edemeyiz. Çünkü kuvvet vektörel bir büyüklüktür. Skaler büyüklükler gibi sadece bir sayıyla ifade edilemez.
Sürtünme kuvveti cisimlerin pürüzlü yapısından dolayı birbirine sürtündüklerinde ortaya çıkan engelleyici bir kuvvettir. Sürtünme kuvvetinin tek başına hareket ettirme gibi bir özelliği yoktur.
Duran bir cisme, onu hareket ettirmek için herhangi bir kuvvet uygulanmıyorsa sürtünme kuvveti de yoktur. Ancak hareket ettirmek için kuvvet uygulandığında o kuvveti engellemek için tam ona zıt yönde bir sürtünme kuvveti oluşur ve cisim hareket etmez. Cisme etkiyen kuvveti arttırsanız belli bir süre sonra maksimum sürtünme kuvvetini geçip hareketi sağlarsınız. Çünkü sürtünme kuvvetinin maksimum bir değeri vardır.
Sürtünme kuvvetinin maksimum değeri Fsürtünme = k.G formülü ile bulunur. Burada G cismin ağırlığı, k ise yüzeyin sürtünme katsayısıdır.
Bir örnek yapalım.
Örnek: Duran bir cisme 8N kuvvet uygulanmasına rağmen hareket etmediği gözlemleniyor. Buna göre sürtünme kuvveti kaç N olur?
Çözüm: Sürtünme kuvveti uygulanan kuvvetten büyük olamaz. Hareket etmediğine göre sürtünme kuvveti ile uygulanan kuvvet eşittir demektir. Bu durumda cevap 8N olur.
Doğada hüküm süren dört temel kuvvet vardır. Bu kuvvetler temas gerektirmeyen kuvvetler olup yaşamımızı mümkün kılan çok önemli etkileri vardır. Temel kuvvetler şunlardır:
Kütle çekim kuvveti, yer çekimi olarak da bilinen (gravitasyon) temel kuvvettir. Bütün maddeler kütlelerine ve aralarındaki mesafeye bağlı olarak birbirine çekim uygular. Bu çekime kütle çekim kuvveti denir.
Elektromanyetik kuvvet, cisimlerin yük taşımasından dolayı ortaya çıkan bir kuvvettir. Elektrik ve manyetik alan bu kuvvetin oluşmasında etkilidir.
Güçlü nükleer kuvvet, atom çekirdeğinde taneciklerin birbirini tutması için var olan çok yüksek bir kuvvettir. Etki alanı sadece çekirdekle sınırlıdır.
Zayıf nükleer kuvvet, W ve Z bozonlarının değiştirilmesiyle ve çekirdekte nötronların beta emisyonuyla görülür. Çok yüksek sıcaklıklarda, zayıf kuvvet ve elektromanyetik kuvvet ayırt edilemez.
Temel kuvvetlerin büyüklük sırası şu şekildedir: Güçlü nükleer kuvvet > elektromanyetik kuvvet > zayıf nükleer kuvvet > kütle çekim kuvveti
Kuvvetin Hızlandırıcı Etkisi
Kuvvetin en temel ilkelerinden biri cisimleri hızlandırmaktır. Bir cisme net bir kuvvet etki ediyorsa bu cisim hızlanarak hareket eder. Hızlanarak harekete ivmeli hareket de denir. Cisme etkiyen net kuvvet eğer 0 ise cisim mevcut durumunu korur. Eğer hareket halindeyse aynı hızla harekete devam eder. Eğer duruyorsa durmaya devam eder.
İvme bir cismin hızının değişmesi anlamına gelir. Pozitif değerdeki ivme hızlanmayı, negatif değerdeki ivme ise yavaşlamayı ifade eder.
Kuvvet ile ivme arasındaki orantı kütleye bağlıdır. Bu da mekanikte her zaman kullanacağınız ve fiziğin en temel bağıntısı olan F = m.a formülü ile ifade edilir. Burada F kuvvet, m kütle, a ise ivmedir.
Soru: Durmakta olan bir 2 kg kütleli cisme 10N kuvveti uygulanmaktadır. Ortamın sürtünmesiz olduğu varsayılırsa cismin 8 saniye sonraki hızı ne olur?
Çözüm: Ortam sürtünmesizse cisme uygulanan net kuvvet 10N olacaktır. F = m.a ⇒ 10 = 2.a ⇒ a = 5 olur. Yani cismin ivmesi 5'tir. Bu da cisim her saniyede 5 m/s hızını arttırmaktadır manasına gelir. Öyleyse 8 saniyede 8.5 = 40 m/s hıza ulaşır.