Yolda hızla yuvarlanan bir top bir süre sonra neden kendiliğinden yavaşlar ve durur? Kaydıraktan kayarken neden bazı giysilerimizle çok hızlı kayarken bazılarıyla takılıp kalırız? Havadaki paraşütçüler nasıl güvenle yere inebilir? Tüm bu soruların cevabı doğadaki gizli bir kuvvette saklıdır: Sürtünme Kuvveti.
Bu konuda yüzeyler arasında oluşan sürtünme kuvvetini, özelliklerini, hayatımızı nasıl etkilediğini ve hava ile su ortamlarındaki direnç kavramlarını öğreneceğiz.
Sürtünme Kuvveti Nedir?
Birbiriyle temas eden yüzeyler arasında, cismin hareketini zorlaştıran veya tamamen engelleyen kuvvete sürtünme kuvveti denir. Sürtünme kuvveti her zaman birbirine temas eden yüzeyler arasında meydana gelir ve genellikle cismin hareket yönüne zıt yönde etki eder.
Örneğin, sağa doğru itilen ağır bir sandık, zemin ile arasındaki sürtünme nedeniyle yavaşlamak veya durmak ister. Sürtünme kuvveti hareketin tersi olan sola doğru uygulanıyormuş gibi etki gösterir. Duran bir cismi harekete geçirmek için uyguladığımız itme kuvvetinin, o andaki sürtünme kuvvetinden daha büyük olması gerekir.
Yüzeyin Cinsi Sürtünmeyi Nasıl Etkiler?
Sürtünme kuvvetinin büyüklüğü cismin kütlesine bağlı olduğu gibi, en çok da birbirine temas eden yüzeylerin pürüzlülüğüne (cinsine) bağlıdır. Yüzeydeki mikroskobik (gözle zor görülen) çıkıntılar birbirine takılarak hareketi zorlaştırır.
Pürüzlü Yüzeyler
Üzerinde girinti ve çıkıntıların çok fazla olduğu yüzeylerdir. Bu yüzeylerde hareket etmek zordur çünkü yüzeyler birbirine çok fazla takılır. Zımpara kâğıdı, çakıl taşlı yol, halı, beton, keçe ve toprak pürüzlü yüzeylere örnektir. Pürüzlü yüzeylerde sürtünme kuvveti çok fazladır, bu yüzden cisimler bu yüzeylerde zor kayar, çabuk yavaşlar.
Kaygan (Pürüzsüz) Yüzeyler
Üzerindeki girinti ve çıkıntıların yok denecek kadar az olduğu yüzeylerdir. Bu yüzeylerde cisimler çok daha rahat hareket eder, birbiri üzerinden kolayca kayar. Cam, mermer, fayans, buz, cilalı tahta ve yağlanmış yüzeyler kaygan yüzeylere örnektir. Kaygan yüzeylerde sürtünme kuvveti çok azdır, bu nedenle cisimler kolay yavaşlamaz.
Sürtünme Kuvveti Hayatımızı Nasıl Etkiler?
Sürtünme kuvvetinin sadece faydalı veya sadece zararlı olduğunu söyleyemeyiz. Sürtünme kuvveti duruma göre hem hayatımızı kolaylaştırır hem de zorlaştırabilir. Bu nedenle mühendisler ve tasarımcılar, amaca göre sürtünmeyi artırmak ya da azaltmak için çeşitli yöntemler geliştirmişlerdir.
Sürtünmenin Faydaları (Olumlu Etkileri)
Eğer sürtünme olmasaydı: - Yürüyemezdik, ayaklarımız yere tutunamaz ve sürekli kayardık. - Kalemle yazı yazamaz, silgiyle silemezdik (Kalem ucu kâğıda sürtünerek iz bırakır). - Hareket eden araçlar fren yaptıklarında duramazlardı. - Bir bardağı veya kitabı elimizle tutamaz, elimizden kayıp düşmesine engel olamazdık.
Sürtünmeyi Artırmak İçin Yapılanlar
Bazen güvenliğimiz veya işimizi yapabilmemiz için sürtünmeyi bilerek artırmak isteriz: - Kışın buzlu yollarda kaymamak için arabalara kar lastiği takılması veya tekerleklere zincir bağlanması. - Haltercilerin veya jimnastikçilerin, ellerinden alet kaymasın diye ellerine özel bir toz (pudra) sürmeleri. - Kışlık botların altının tırtıklı yapılması. - Merdiven basamaklarına kaydırmaz bantlar yapıştırılması.
Sürtünmenin Zararları (Olumsuz Etkileri)
Sürtünmenin istenmediği durumlar da vardır: - Sürtünen yüzeyler zamanla ısınır ve aşınır (Arabaların lastiklerinin veya ayakkabı tabanlarımızın erimesi gibi). - Makinelerin içindeki hareketli parçalar birbirine sürterek aşınır ve makinenin ömrü kısalır. Aşırı ısınma makinelere zarar verebilir. - Sürtünmeyi aşmak için daha fazla enerji (yakıt) harcanması gerekir.
Sürtünmeyi Azaltmak İçin Yapılanlar
Makinelerin ömrünü uzatmak veya işleri kolaylaştırmak için sürtünmeyi bilerek azaltmak isteriz: - Kapı menteşelerinin, bisiklet zincirlerinin ve araba motorlarının yağlanması (Yağ, yüzeyler arasında kaygan bir tabaka oluşturarak sürtünmeyi azaltır). - Ağır eşyaların (örneğin valizlerin) altına tekerlek takılması. (Yuvarlanma sürtünmesi, kayma sürtünmesinden daha azdır.) - Kaydırakların ve buz pateni pistlerinin pürüzsüz maddelerden yapılması.
Hava ve Su Direnci (Sürtünmesi)
Sürtünme sadece katı maddeler (yüzeyler) arasında olmaz. Havada ve suda hareket eden cisimlere de etki eden bir sürtünme kuvveti vardır. Buna direnç adı verilir.
Hava Direnci
Havanın, içinde hareket eden cisimlere hareket yönüne zıt olarak uyguladığı sürtünme kuvvetine hava direnci denir. - Gökyüzünden atlayan paraşütçülerin yavaş ve güvenli bir şekilde yere inmesini sağlayan şey hava direncidir. Paraşüt açıldığında geniş bir yüzey oluşturur, hava bu yüzeye çok fazla sürtünür ve düşüşü yavaşlatır. - Gök taşları (meteorlar) atmosfere büyük bir hızla girdiklerinde hava direnciyle karşılaşırlar. Oluşan devasa sürtünme sonucu gök taşları ısınır, yanar ve parçalanır. Böylece hava direnci Dünya'mızı büyük felaketlerden korumuş olur.
Su Direnci
Suyun, içinde hareket eden cisimlere uyguladığı sürtünme kuvvetine su direnci denir. Su direnci, hava direncinden daha büyüktür (Suda koşmanın havada koşmaktan çok daha zor olduğunu hatırlayın). - Balıkların vücut şekilleri (önden arkaya doğru ince ve kaygan pullu yapıları) su direncini en aza indirecek şekilde yaratılmıştır. Böylece suda daha hızlı ve az enerji harcayarak yüzerler.
Aerodinamik ve Hidrodinamik Tasarım
Mühendisler uçak, hızlı tren, yarış arabası gibi araçları tasarlarken genellikle ön kısımlarını sivri (kuş gagasına veya balık vücuduna benzer) yaparlar. Bu sivri tasarımların amacı havayı veya suyu daha kolay yararak, hava/su direncini (sürtünmeyi) azaltmaktır. Sürtünme azaldığında araçlar hem daha hızlı gidebilir hem de daha az yakıt tüketirler. Gemi ve denizaltıların tasarımları da suyu en kolay yaracak (su direncini azaltacak) şekilde özel olarak yapılır.
Sık Karıştırılan Noktalar
- Sürtünmenin sadece zararlı zannedilmesi: Sürtünme kuvveti olmasaydı yaşam dururdu. Ateş yakmak, yürümek, durmak sürtünme sayesinde mümkündür.
- Tekerlek takmanın amacı: Bir cismi yerde sürüklemek yerine altına tekerlek takmak, sürtünmeyi sıfırlamaz ancak kayma sürtünmesini yuvarlanma sürtünmesine çevirdiği için sürtünmeyi çok fazla azaltır.
- Paraşütün amacı: Uçak, sürtünmeyi azaltmak için sivri yapılırken; paraşüt sürtünmeyi (hava direncini) özellikle artırmak için çok geniş yapılır.
Konuyu Tekrar Edelim
Sürtünme kuvveti, birbirine temas eden cisimlerin hareketini engelleyici yönde çalışan bir kuvvettir. Pürüzlü yüzeylerde sürtünme fazla, kaygan yüzeylerde azdır. Günlük yaşantımızda hareket edebilmek ve durabilmek için sürtünmeye ihtiyacımız varken; makinelerin yıpranmaması için sürtünmeyi azaltıcı yağlama ve tekerlek kullanımı gibi önlemler alırız. Havanın cisimlere uyguladığı sürtünmeye hava direnci (örneğin paraşütlerde kullanılır), suyun uyguladığına su direnci denir. Uçak, araba ve gemilerin sivri uçlu tasarlanması bu direnç kuvvetlerini azaltmak içindir.