Günlük yaşamımızda farkında olmadan pek çok etki yaratırız. Bir kapıyı açarken kolunu çeker, kapatırken iteriz; bir futbol topuna vururken ona hareket kazandırırız. İşte cisimler üzerinde yarattığımız bu etkilere bilim dilinde kuvvet diyoruz. Kuvveti gözümüzle doğrudan göremeyiz ancak cisimler üzerindeki etkilerini her an gözlemleyebiliriz.
Bu konuda kuvvetin tam olarak ne olduğunu, cisimler üzerinde nasıl etkiler yarattığını ve miktarının nasıl ölçüldüğünü öğreneceğiz. Özellikle esnek maddelerin kuvvet ölçümündeki rolünü keşfedeceğiz.
Kuvvetin Cisimler Üzerindeki Etkileri
Kuvvet; duran bir cismi harekete geçirebilen, hareket eden bir cismi hızlandırabilen, yavaşlatabilen veya durdurabilen, cismin yönünü ve şeklini değiştirebilen itme veya çekme etkisidir.
Hareket Durumunu Değiştirme
Masada duran bir kaleme hafifçe dokunduğunuzda (ittiğinizde) kalem yuvarlanmaya başlar. Size doğru gelen bir voleybol topunu karşılamak için ona vurduğunuzda, topun geliş yönünü ve hızını değiştirirsiniz. Kırmızı ışıkta durmak için frene basan bir sürücü, tekerleklere uygulanan sürtünme kuvveti sayesinde arabayı yavaşlatır ve durdurur. Bunların tamamı kuvvetin cisimler üzerindeki hareket etkisine örnektir.
Şekil Değiştirme
Kuvvet uyguladığımız bazı maddelerin sadece yeri değil, görünümü de değişir. Bir oyun hamurunu sıktığımızda şekli değişir; bir kâğıdı buruşturduğumuzda yepyeni bir şekil alır. Kuvvet ortadan kalktıktan sonra maddenin eski hâline dönüp dönmemesine göre maddeler ikiye ayrılır:
- Esnek Maddeler: Kendisine uygulanan kuvvet ortadan kalktığında eski şekline dönen maddelerdir. Bulaşık süngeri, paket lastiği, yay ve balon bu tür maddelere örnektir.
- Esnek Olmayan Maddeler: Kuvvet uygulandığında şekli değişen ancak kuvvet ortadan kalktığında eski şekline dönemeyen maddelerdir. Oyun hamuru, cam, kâğıt ve teneke kutu esnek olmayan maddelerdir. Örneğin bir cam bardağa sert bir şekilde kuvvet uygularsak bardak kırılır ve kuvvet ortadan kalktığında eski şekline dönemez.
Kuvvet Nasıl Ölçülür?
Bir cismi itmek veya çekmek için uyguladığımız etkinin bir büyüklüğü vardır. Ağır bir dolabı itmek için çok büyük bir kuvvet gerekirken, boş bir karton kutuyu itmek için çok küçük bir kuvvet yeterlidir. Peki bu kuvvetin büyüklüğünü nasıl ölçeriz?
Kuvvetin büyüklüğünü ölçmek için dinamometre adı verilen aletleri kullanırız. Dinamometreler, maddelerin esneklik özelliğinden yararlanılarak yapılmıştır.
Dinamometrenin Yapısı ve Çalışma Prensibi
İçini açıp baktığınızda bir dinamometrenin ana parçasının esnek bir yay olduğunu görürsünüz. Yayların önemli bir özelliği vardır: Kendilerine kuvvet uygulandığında (çekildiklerinde veya üzerine yük asıldığında) uzarlar, kuvvet ortadan kalktığında eski hâllerine dönerler. Üstelik uygulanan kuvvetin büyüklüğü arttıkça, yayın uzama miktarı da belirli bir kurala göre artar.
Örneğin bir yaya 1 birimlik bir kuvvet uyguladığımızda yay 1 santimetre uzuyorsa, 2 birimlik kuvvet uyguladığımızda 2 santimetre uzar. Dinamometrelerin üzerinde, bu uzama miktarını sayısal bir değere dönüştüren eşit aralıklı çizgiler (bölmeler) bulunur. Cisme uyguladığımız kuvvet ne kadar büyükse, yay o kadar çok gerilir ve gösterge o kadar yüksek bir sayı değerini gösterir.
Kuvvetin Birimi Nedir?
Günlük hayatta uzunluğu ölçmek için metre (m) veya kütleyi ifade etmek için kilogram (kg) kullanırız. Benzer şekilde, kuvvetin büyüklüğünü ifade etmek için de bilim insanı Isaac Newton'ın (İshak Nivton) anısına Newton birimi kullanılır. Newton birimi kısaca büyük N harfi ile gösterilir. Örneğin bir dinamometre ile yapılan ölçüm sonucu "15 N" olarak ifade edildiğinde, bu değer "15 Newton" diye okunur.
Dinamometrelerin Ölçüm Sınırları
Her yayın bir dayanma sınırı (esneklik sınırı) vardır. Esnek bir yayı elinize alıp hafifçe çektiğinizde uzar ve bıraktığınızda eski hâline döner. Ancak yayı sahip olduğu kapasiteden çok daha büyük bir kuvvetle, var gücünüzle çekerseniz yay bozulur ve bir daha eski şekline dönemez. Buna esneklik sınırının aşılması denir.
Aynı kural dinamometreler için de geçerlidir. Her dinamometrenin ölçebileceği en büyük kuvvet değeri üzerinde yazılıdır. Eğer üzerinde "En fazla 50 N ölçer" yazan bir dinamometreye 100 N büyüklüğünde bir kuvvet uygular veya çok ağır bir yük asarsak, içindeki yay bozulur ve dinamometre artık doğru ölçüm yapamaz.
Kalın Yay ve İnce Yay
Farklı büyüklükteki kuvvetleri ölçmek için farklı kalınlıkta yaylardan yapılmış dinamometreler kullanılır: - İnce yaylı dinamometreler: Çok küçük kuvvetleri ölçmek için tasarlanmıştır. Bu dinamometreler çok hassastır. Örneğin kalemliğinizin ağırlığını hassas olarak ölçmek için ince yaylı bir dinamometre tercih etmelisiniz. - Kalın yaylı dinamometreler: Çok büyük kuvvetleri ölçmek için kullanılır. Kalın yayları esnetmek daha zor olduğundan, bunlar küçük kuvvetleri fark edemez ancak çok büyük kuvvetlere bozulmadan dayanabilirler. Örneğin dolu bir okul çantasının asılabileceği dinamometre kalın yaylı olmalıdır.
Açıklamalı Örnekler
Örnek 1: Özdeş Dinamometrelerde Ölçüm
Bir laboratuvarda özdeş (aynı özellikteki) iki dinamometreden birincisine K cismi asıldığında dinamometre yayı 2 bölme uzuyor. İkinci dinamometreye L cismi asıldığında ise yay 6 bölme uzuyor. L cismine uygulanan kuvvet 30 N olduğuna göre, K cismine uygulanan kuvvet kaç Newton'dur?
Çözüm: Özdeş dinamometrelerde uzama miktarı ile kuvvet doğru orantılıdır. L cismi 6 bölmeyi 30 N kuvvetle uzattığına göre, her 1 bölmelik uzama 5 N'luk kuvvete karşılık gelir. K cismi 2 bölme uzamaya neden olduğuna göre uyguladığı kuvvet 2 x 5 = 10 N olmalıdır.
Örnek 2: Uygun Dinamometre Seçimi
Üç farklı dinamometre sırasıyla en fazla 10 N, 50 N ve 100 N ölçebilecek şekilde tasarlanmıştır. Bir öğrenci elindeki oyuncak arabanın oluşturduğu 40 N'luk kuvveti ölçmek istiyor. Öğrenci hangi dinamometreyi veya dinamometreleri kullanabilir?
Çözüm: Uygulanan kuvvet 40 N'dur. - 10 N ölçen dinamometreye 40 N uygulanırsa yayı bozulur, kullanılamaz. - 50 N ve 100 N ölçen dinamometrelerin kapasitesi 40 N'dan büyük olduğu için bu kuvveti güvenle ölçebilirler. Dolayısıyla öğrenci 50 N veya 100 N'luk dinamometreleri seçmelidir. Daha hassas bir sonuç için 50 N'luk olanı seçmesi daha mantıklıdır.
Sık Karıştırılan Noktalar
- Kuvvet ile dinamometre karıştırılması: Kuvvet bir fiziksel etki, dinamometre ise onu ölçen alettir.
- Esnek maddenin tanımı: Oyun hamuru kolayca şekil değiştirdiği için genellikle esnek zannedilir. Ancak bırakıldığında eski hâline dönmediği için bilimsel olarak esnek madde değildir.
- Dinamometrenin bozulması: Dinamometreler her kuvveti ölçemez. Yalnızca ölçüm aralığı (esneklik sınırı) içindeki değerleri ölçebilir.
Konuyu Tekrar Edelim
Kuvvet; cisimlerin hareket durumunu ve şeklini değiştirebilen itme veya çekme etkisidir. Kuvvetin büyüklüğünü, yayların esneklik özelliğinden faydalanarak geliştirdiğimiz dinamometrelerle ölçeriz. Kuvvetin birimi Newton (N)'dur. Her dinamometrenin esneklik sınırına bağlı olarak ölçebileceği maksimum bir değer vardır; bu değer aşıldığında yayın yapısı bozulur. Hassas ölçümler için ince yaylı, büyük kuvvetleri ölçmek için ise kalın yaylı dinamometreler kullanılır.