Evrende var olan her cisim bir madde miktarına sahiptir ve çevresiyle belirli bir çekim ilişkisi içindedir. Günlük hayatta genellikle "ağırlık" sözcüğünü çok sık kullansak da bilimsel anlamda "kütle" ve "ağırlık" birbirinden tamamen farklı iki kavramdır.
Bu konuda kütlenin ne anlama geldiğini, kütleye etki eden yer çekimi kuvvetinin ağırlık olarak nasıl adlandırıldığını ve uzayın farklı noktalarında bu değerlerin nasıl değiştiğini inceleyeceğiz.
Kütle Nedir?
Bir cismin sahip olduğu değişmeyen madde miktarına kütle denir. Kitabınız, defteriniz, çantanız veya kendi bedeniniz... Hepsini oluşturan belirli bir miktar madde vardır ve bu miktar, cisim parçalanmadıkça veya ekleme yapılmadıkça sabittir.
Kütle ile ilgili bilmeniz gereken en önemli özellik şudur: Kütle, cismin bulunduğu yere göre değişmez. Bir kutuyu Dünya'da ölçtüğünüzde madde miktarı ne kadarsa, onu Ay'a veya uzay boşluğuna götürdüğünüzde de madde miktarı aynı kalır.
- Kütle, eşit kollu terazi (veya günümüzde dijital teraziler) kullanılarak ölçülür.
- Kütlenin temel birimi kilogramdır ve kısaca kg ile gösterilir. Daha küçük kütleler için gram (g), çok daha büyük kütleler için ton (t) birimleri kullanılır.
Yer Çekimi Kuvveti
Dünya üzerindeki cisimleri neden hep yere doğru düşer? Bir elmayı bıraktığınızda neden yukarı doğru gitmez de aşağıya, toprağa doğru düşer? Bu durumun nedeni, Dünya'nın üzerinde bulunan bütün cisimlere uyguladığı bir çekim kuvveti olmasıdır. Dünya gibi gök cisimlerinin, üzerlerindeki cisimlere uyguladıkları bu çekme kuvvetine yer çekimi kuvveti (veya kütle çekim kuvveti) adı verilir.
Yer çekimi kuvveti her zaman Dünya'nın merkezine doğru yönelmiştir. Uzaya fırlatılan uyduların yörüngede kalmasını sağlayan, atmosferdeki gazların uzaya kaçmasını engelleyen ve suların okyanuslarda durmasını sağlayan şey işte bu yer çekimi kuvvetidir. Yalnızca Dünya değil, Ay, Güneş ve diğer gezegenler de cisimlere çekim kuvveti uygular ancak gök cisminin büyüklüğü (ve kütlesi) değiştikçe uyguladığı çekim kuvveti de değişir.
Ağırlık Nedir?
İşte kütle ve ağırlık kavramları burada birbirine bağlanır. Bir cismin kütlesine (madde miktarına) etki eden yer çekimi kuvvetine ağırlık denir. Ağırlık, madde miktarının kendisi değil; gezegenin o maddeyi ne kadar güçlü çektiğinin bir ölçüsüdür.
Ağırlık da sonuçta bir tür kuvvet olduğu için: - Ağırlık dinamometre ile ölçülür. (Eşit kollu terazi ile değil!) - Ağırlığın birimi Newton (N)'dur. (Kilogram veya gram değil!)
Dünya yüzeyinde, kütlesi 1 kilogram (1 kg) olan bir cisme Dünya'nın uyguladığı yer çekimi kuvveti (yani ağırlığı) yaklaşık olarak 10 Newton (10 N)'dur. Eğer bir öğrencinin kütlesi 40 kg ise, Dünya'nın onu merkezine doğru çektiği kuvvet (ağırlığı) yaklaşık 40 x 10 = 400 N'dur.
Ağırlık Neden Değişir?
Kütlenin aksine ağırlık, bulunduğunuz yere göre değişen bir büyüklüktür. Çünkü ağırlık, gök cisminin size ne kadar kuvvet uyguladığına bağlıdır.
1. Farklı Gök Cisimlerinde Ağırlık
Bir gezegenin kütlesi ve büyüklüğü ne kadar fazlaysa, çekim kuvveti de o kadar büyük olur. Dünya, Ay'dan çok daha büyük bir gök cismidir. Bu nedenle Dünya'nın cisimlere uyguladığı yer çekimi kuvveti, Ay'ın uyguladığı çekim kuvvetinden yaklaşık 6 kat daha fazladır.
Uygulama: Kütlesi 60 kg olan bir astronotu düşünelim. - Astronotun kütlesi Dünya'da 60 kg'dır. Ağırlığı ise yaklaşık 60 x 10 = 600 N'dur. - Astronot Ay'a gittiğinde, vücudundaki madde miktarı değişmediği için kütlesi yine 60 kg olur. Ancak Ay daha küçük olduğu için astronotu daha zayıf bir kuvvetle çeker. Astronotun Ay'daki ağırlığı Dünya'dakinin altıda biri kadardır, yani 600 / 6 = 100 N'dur. - Eğer bu astronot uzay boşluğuna çıkarsa, yakınında onu çeken bir gezegen kalmadığı için ağırlığı sıfır (0 N) olur, astronot "ağırlıksız" ortamda süzülür. Ancak madde miktarı eksilmediği için kütlesi yine 60 kg kalır.
2. Dünya Üzerinde Farklı Konumlarda Ağırlık
Dünya kusursuz bir küre şeklinde değildir. Kutuplardan basık, Ekvator'dan (orta kısımdan) şişkin özel bir şekle sahiptir (bu şekle geoit denir). Bu nedenle Dünya'nın kutup noktaları, Dünya'nın merkezine daha yakındır; Ekvator bölgesi ise merkeze daha uzaktır.
Yer çekimi kuvveti Dünya'nın merkezine yaklaştıkça artar, uzaklaştıkça azalır. Bu yüzden: - Ekvator'dan kutuplara doğru gidildikçe cismin ağırlığı artar. - Deniz seviyesinden yüksek dağların zirvelerine çıkıldıkça (merkezden uzaklaşıldığı için) cismin ağırlığı azalır.
Açıklamalı Örnekler
Örnek 1: Tablo Yorumlama
Ali'nin okul çantasının kütlesi eşit kollu terazi ile 5 kg olarak ölçülmüştür. Ali bu çantayı sırasıyla Ankara'da, Everest Dağı'nın zirvesinde ve Ay'da bir dinamometreye asarak ağırlığını ölçüyor. Çantanın kütlesi bu üç yerde nasıl olur? Ağırlık sıralaması büyükten küçüğe nasıl olur?
Çözüm: Kütle konuma bağlı olarak değişmeyen madde miktarıdır. Bu nedenle çantanın kütlesi Ankara'da, Everest'te ve Ay'da 5 kg olarak kalır. Ağırlık ise çekim kuvvetine bağlıdır. Ankara yeryüzüne daha yakın olduğu için ağırlık en fazladır. Everest yüksekte olduğu için merkeze uzaktır, çekim biraz azalır (ağırlık azalır). Ay ise Dünya'dan çok daha az bir çekime sahiptir, ağırlık en düşüktür. Sıralama: Ankara > Everest > Ay.
Örnek 2: Manavdaki Hata
Manavdan elma alan Zeynep'e manav "Elmaların ağırlığı tam 2 kilogram geldi, afiyet olsun." diyor. Manavın bu cümlesindeki bilimsel hata nedir? Doğrusu ne olmalıdır?
Çözüm: "Ağırlık" bir kuvvettir ve birimi Newton'dur. "Kilogram" ise kütlenin birimidir. Manavın tartı ile ölçtüğü değer aslında elmaların madde miktarı, yani kütlesidir. Doğru bilimsel ifade "Elmaların kütlesi tam 2 kilogram geldi." olmalıdır.
Sık Karıştırılan Noktalar
- Kütle ve ağırlığın aynı sanılması: Kütle değişmeyen madde miktarı (kg), ağırlık ise bu kütleye etki eden yer çekimi kuvvetidir (N).
- Ay'da yer çekimi yok zannedilmesi: Ay'da çekim kuvveti vardır ancak Dünya'dakine göre 6 kat daha azdır. Eğer Ay'da hiç yer çekimi olmasaydı astronotlar yüzeyde yürüyemezdi.
- Ağırlık azalınca kütlenin de azaldığı yanılgısı: Bir dağa tırmandığınızda yer çekimi azaldığı için ağırlığınız dinamometrede daha az çıkar. Ancak vücudunuzdan hiçbir parça eksilmemiştir; kütleniz (kg) aynı kalır.
Konuyu Tekrar Edelim
Kütle eşit kollu terazi ile ölçülen, birimi kg/g olan değişmez madde miktarıdır. Ağırlık ise kütleye etki eden yer çekimi kuvvetidir; dinamometre ile ölçülür ve birimi Newton (N)'dur. Dünya'nın kütlesi büyük olduğu için uyguladığı çekim Ay'a göre çok daha fazladır, bu yüzden Dünya'da ölçülen bir ağırlık Ay'da ölçülenin yaklaşık 6 katıdır. Kütle nereye giderseniz gidin asla değişmezken, ağırlık bulunduğunuz konuma (gezegenin büyüklüğüne veya merkezine olan uzaklığa) göre değişiklik gösterir.