Fizikte Kuvvet ve Hareket

    İnanması zor ama dünyadaki her şey daima hareket halindedir. Mükemmel görünen şeyler bile enerji ile titreşen atomlarla doludur. Hareketin nasıl işlediğini anlamak bilimin en büyük kilometre taşlarından biridir ve parlak İngiliz fizikçi Sir Isaac Newton'a atfedilir. Onun 300 yıldan daha uzun bir süre önce yazdığı hareket yasaları o kadar iyi ifade edilmiştir ki, bilim insanları bugün hala çoğu durumda bunları kullanmaktadır. Newton'un bize öğrettiği temel fikir şudur: Harekete kuvvetler neden olur - ki bunu anlamak yeterince kolaydır: bir topa vurursunuz ( kuvvet ) ve top havaya uçar ( hareket ). Ancak kuvvetler her zaman nesneleri hareket ettirmez: bir köprüye etki eden birçok kuvvet vardır, ancak köprü hareket etmez. Ayrıca, kuvvetler tarafından üretilen 'hareket' bazen bir şeyin hareket ettiği yöndeki bir kayma veya şeklindeki bir değişikliktir. Peki kuvvetler tam olarak nedir ve bu farklı hareket türlerini nasıl üretirler? Hareket eden nesnelerin bilimine daha yakından bakmanın zamanı geldi!

Kuvvetler

    Birine “Güç seninle olsun” demek garip bir şeydir, çünkü güçlerin orada olmadığı bir an asla yoktur. Güçler dünyamızda ve ötesinde olup biten her şeyin ardındaki gizli güçtür. Kuvvetler kalbinizin atmasını ve ciğerlerinizin pompalamasını sağlar; gezegenlerin Güneş etrafında dönmesini ve atomların birbirine sıkıca bağlanmasını sağlar. Şu anda evrende olan herhangi bir şeyi, kesinlikle herhangi bir şeyi düşünün ve bir yerlerde, bir şekilde kuvvetlerin sorumlu olduğunu garanti edebilirsiniz.

Kuvvetler nelerdir?

    Bir topa vurun ve patlamadan önce yere geri düşsün. Bu her gün karşılaştığımız bir kuvvet örneğidir. Kuvvet tam olarak nedir?

    Kuvvet, nesnelerin hareket etmesini, yön değiştirmesini veya şekil değiştirmesini sağlayabilen bir itme veya çekme eylemidir. 

    Bir topa vurduğunuzda, topun yukarı doğru uçmasını sağlayan bir kuvvet uygularsınız ( ayağınızla iterek ). Ancak top havaya doğru fırlamaya başladığında, görünmez yerçekimi kuvveti onu Dünya'ya geri çeker ve bu farklı bir kuvvetin devreye girmesidir.

    Biraz daha yakından baktığınızda topun üzerinde çalışan başka bir kuvvet kümesi de göreceksiniz. Ayağınız patlayan şeyle, yani topla karşılaştığında, top plastik veya deriden yapıldığı için biraz içe doğru ezilir. Yani orada da topun şekil değiştirmesine neden olan bir kuvvet vardır. Top esnek ( elastik ) olduğu için hızla tekrar genişler, orijinal şekline geri döner ve ayağınıza doğru iterek havaya uçar. Bu da bir kuvvettir. Top nihayet yere çarptığında, tekrar esnemeden önce tekrar ezilir ve bu da belki birkaç kez havaya sıçramasına neden olur. Daha fazla kuvvet! Top yerde yuvarlanırken çimlere veya betona sürtünür ve yavaş yavaş durur. Burada başka bir kuvvet iş başındadır - sürtünme kuvveti - topun enerjisini çalar ve onu dinlendirir. Yani topun başına gelen her şey, ayağınızdan yere kadar olan tüm yolculuğu boyunca onu iten, çeken, geren veya sürükleyen bir dizi kuvvetten ibarettir.

Kaç kuvvet var?

    Bir şeyin nasıl çalıştığına ya da hareket ettiğine baktığımızda, bundan sorumlu olan kuvveti belirlemeye çalışırız. Yani yere yakın uçan bir top olduğunda, “Aha! Bu yerçekimi kuvveti” deriz. Ancak bir şeye etki eden tek bir kuvvet bulmak çok nadirdir. Çoğu zaman, hepsi de farklı güçlerde ve genellikle tamamen farklı yönlerde çeken veya iten, aynı anda çalışan birkaç farklı kuvvet vardır. Tüm bu kuvvetlerin etkileri bir araya getirilerek ya da birbirlerinden çıkarılarak toplam bir kuvvet elde edilir ( ya da belki de hiç kuvvet oluşmaz ).

    Bazen tüm kuvvetler tam olarak dengededir - etkileri birbirini iptal eder. Eğer bir bakarsan Dev asma köprü, hiçbir yere gitmiyor ya da değiştirmiyor şeklinde, bu yüzden üzerine etki eden hiçbir kuvvet olmadığını düşünebilirsiniz. Yanlış! Üzerinden geçen tüm arabaların ağırlığı var aşağı doğru, artı kendi ağırlığı. Peki köprü neden nehirin içine düşmüyor? Köprüyü aşağı çeken yerçekimi kuvveti tam olarak Askı kablolarındaki gerilim ( çekme kuvvetleri ) ile dengelenir tekrar yukarı çekilir. Bir köprü üzerindeki tüm kuvvetler aynı olduğundan, köprünün kendisi hiçbir yere gitmez - bu nedenle arabaların geçmesi güvenlidir.

    Ancak farklı kuvvetlerin bir şey üzerinde birbirini iptal etmeden etki ettiği zamanlar da vardır. Diyelim ki bir yelkenlisiniz, güçlü bir rüzgarda çok az ilerleme kaydediyorsunuz ve dıştan takma motorunuzu kullanmaya karar veriyorsunuz. Dalgalar teknenizi bir yöne doğru itiyor olabilir ( bu bir kuvvettir ), rüzgar farklı bir yöne doğru itiyor olabilir ( başka bir kuvvet ) ve dümeni nasıl kullandığınıza bağlı olarak motorunuz teknenizi başka bir yöne doğru itiyor olabilir ( üçüncü bir kuvvet ). Teknenin alt kısmı ( omurga ) ile su arasında da bir kuvvet vardır. Tüm bu kuvvetler farklı yönlerde hareket eder, biraz çok yönlü kuvvetler gibi. Römorkör. Tekneniz belirli bir yönde hareket ediyorsa, Kuvvet kazanıyor olmalıdır. Buna bileşik kuvvet diyoruz çünkü bir nesne üzerinde aynı anda birden fazla kuvvet etki ettiğinde ortaya çıkan genel kuvvettir. Tıpkı bileşik kuvvetin nesne üzerinde etkili olan tek kuvvet olması ve diğer tüm nesnelerin Kuvvetlerinin ortadan kalkması gibi.

Kuvvetler ve hareket

    Bir kuvvet bir nesneye etki ettiğinde, genellikle daha hızlı veya farklı bir yönde hareket etmesini sağlar. Bir şey hareket etmeye başladığında, onu hareket ettirmek için bir kuvvete ihtiyacınız yoktur: başka bir kuvvet onu durdurmadığı sürece kendi kendine hareket etmeye devam edecektir. Bir roket uzaya fırlatıldığında, başlangıçta havalanmasını sağlamak ve Dünya'nın yerçekimi kuvvetinin üstesinden gelmek için bir kuvvete ihtiyacınız vardır. Ancak roket bir kez uzaya çıktığında, başka bir kuvvet onu durdurana kadar ve durdurmadığı sürece kendi kendine hareket etmeye devam edecektir.

    Bir şeyi hızlandırmak ( ivmelendirmek ) veya yavaşlatmak ( yavaşlatmak ) istediğinizde, bir kuvvet kullanmanız gerekir. Aslında, bir şeyin nasıl hareket ettiğini değiştirmek istiyorsanız her zaman bir kuvvet kullanmanız gerekir. İngiliz bilim adamı Isaac Newton, kuvvetlerin cisimlerin hareket etme şeklini nasıl değiştirdiğini doğru bir şekilde anlayan ilk kişiydi. Newton yasaları olarak adlandırılan ve bunun nasıl gerçekleştiğini açıklayan üç basit ilke üzerinde çalışmıştır. Tüm bunlara birazdan geleceğiz.

Dönme kuvvetleri

    Bir şeyi farklı bir şekilde hareket ettirmek için bir kuvvet gerekir ve bu, hızı aynı kalsa bile bir şeyin hareket ettiği yönü değiştirmeyi de içerir. Bir şeyi daire şeklinde döndürmek istiyorsanız, dönmesini sağlamak için bir kuvvet uygulamanız ve dönmeye devam etmesi için bu kuvveti uygulamaya devam etmeniz gerekir. Bu mantıklıdır: bir daire içinde hareket eden bir şey sürekli yön değiştirir, bu nedenle her zaman bir kuvvet uygulamanız gerekir. Çekiç fırlatma adı verilen sporda, bir atlet uzun bir çelik tel kullanarak başının etrafında ağır bir ağırlık sallar. Teli çekmeye devam ettikleri sürece, merkezcil kuvvet adı verilen bir kuvvet uygularlar ve bu kuvvet ağırlığı bir daire içinde dönmeye devam eder. Sporcu çekici bırakır bırakmaz, artık merkezcil kuvveti sağlayacak hiçbir şey kalmaz, dolayısıyla çekicin bir daire içinde dönmesini sağlayacak hiçbir şey kalmaz. Bu noktada, yerçekiminin onu tekrar yere indirmesiyle havada kıvrılmadan önce düz bir çizgide uçar.

    Daireler çizerek dönen şeylere dikkatlice bakın, her zaman bir yerlerde dönmeyi sağlayan bir merkezcil kuvvet göreceksiniz. Çamaşırlarınız bir çamaşır makinesinde yuvarlanırken, son sıkma sırasında çıkarılması gereken büyük miktarda su toplar. Çamaşır makinesi tamburu yüksek hızda dönerek çamaşırları sürekli bir daire içinde iter ve dönmelerini sağlamak için merkezcil kuvvet sağlar. Giysilerin içindeki su, lifleri boyunca itilir. Onu yerinde tutacak hiçbir şey yoktur - merkezcil kuvvet yoktur - bu yüzden dönen tamburun dışındaki deliklerden dışarı uçar ve giysilerinizin kurumasına yardımcı olur. Kasırgalar, kuvvetlerin nesneleri nasıl daire şeklinde döndürdüğünün bir başka örneğidir. Bir kasırganın merkezinde çok düşük basınç ve kenarlarına doğru daha yüksek basınç vardır. Bu, merkeze doğru iten genel bir basınç olduğu anlamına gelir ve bu, havanın etrafında dönmesini sağlayan merkezcil kuvveti sağlar ve kasırgaları çok yıkıcı yapan güçlü dönme hareketini verir.

Yapışma kuvvetleri

    Kuvvetler nesneleri hareket ettirir ama aynı zamanda hareket eden nesneleri de durdurur. Oyuncak bir arabayı bir halının üzerinde yuvarladığınızda araba hemen duracaktır. Sürtünme kuvveti arabanın enerjisini çalar ve onu yavaşlatır. Sürtünme, temas halinde olan iki farklı nesne arasında, ya birbirlerine kilitlenip dokunduklarında ya da biri diğerinin yanından kayarak geçtiğinde oluşan kuvvettir.

    Belki de şaşırtıcı bir şekilde, sürtünme nesnelerin hareket etmesine yardımcı olabilir ve aynı zamanda hareket etmelerini engelleyebilir. Örneğin bir tekerleği ele alalım. Bir araba viraja girdiğinde, sürtünme lastikleri yerinde tutar, arabayı yola kilitleyen ve dışarı doğru kaymasını engelleyen güçlü bir kavrama sağlar. Lastikler yolu kavradıkça, tekerlekler ileriye doğru iterek arabayı hareket ettirir. Ancak aynı zamanda, tekerlekler ve onları tutan akslar arasındaki sürtünme, enerjilerinin bir kısmını çalarak onları yavaşlatır. Dolayısıyla sürtünme hem iyi hem de kötü bir şey olabilir. Bir tepeye park ettiğinizde, ertesi gün geri döndüğünüzde arabanızın hala orada olmasının nedeni sürtünmedir. Ama aynı zamanda deponuza bu kadar çok benzin koymanızın nedenlerinden biri de budur: arabanız ve içinden geçtiğiniz hava arasındaki sürtünme, aksi takdirde sizi yolda hızlandıracak olan enerjinin büyük bir kısmını çalar.

    Makinelerde ve motorlarda sürtünme genellikle oldukça yararsızdır. Bir parçanın diğerine sürekli sürtünmesi paslanmaz çelik gibi çok sert ve dayanıklı metalleri bile aşındırır. Bu nedenle mühendisler yağlamayı kullanırlar: hareketli parçaların arasına sıvılar ve jeller fışkırtarak daha az sürtünmeyle birbirlerinin üzerinden geçmelerine yardımcı olabilir, aşınma ve yıpranmayı azaltabilir, bakım maliyetlerini düşürebilir ve enerji kayıplarını azaltabiliriz.

Şekil değiştiren kuvvetler

    Hiç bir içecek kutusunun alüminyum halka çekicisini çekmeyi denediniz ve aniden elinizde koptuğunu gördünüz mü? Yapmaya çalıştığınız şey, halka çekicinin hareket etmesini ve aynı zamanda yön değiştirmesini sağlamak için bir güç kullanmaktır. Ancak beklediğiniz şeyi yapmak yerine, halka - çekmenin bir parçası diğerinden kopar. Bu, kuvvetlerin bir nesneyi hareket ettirmek veya yönünü değiştirmek yerine şeklini nasıl değiştirebileceğinin bir örneğidir. Bir şeyin şeklini her değiştirdiğinizde ( buna kırmak veya koparmak da dahildir ), kuvvetleri işe koşarsınız. İster geri dönüşüm için bir kutuyu eziyor, ister bir kağıt parçasını lime lime ediyor ya da bir mancınığın lastiğini geriyor olun, bir şeyi yeni bir şekle sokarsınız. Bu, içindeki atomları yeniden düzenlemeyi içerir ve atomlar genellikle katılarda sıkıca kilitlendiğinden, güç gerektirir.

    Bir kuvvetin tam olarak nasıl bir etkiye sahip olduğu, ilgili malzemelere bağlıdır. Kauçuk gibi yumuşak malzemeler çok kolay bükülür ve esner ve kuvveti kaldırdığınızda tekrar orijinal şekillerine geri dönerler. Bu gibi malzemelere elastik denir. Birçok malzeme kolayca şekil değiştirir ancak eski haline geri dönmez; bunlara plastik denir ( ancak her zaman plastikten yapılmazlar - altın gibi yumuşak metaller bile kolayca şekil değiştiriyorlarsa plastik olabilirler ).

    Bazı malzemeler kuvvet uyguladığınızda şekil değiştirmiyor gibi görünse de, belirli bir süre içinde çok kademeli olarak değişirler. Bir atacı düzeltirseniz, onu plastik hale getirmek için bir kuvvet kullanmış olursunuz - plastik deformasyon ( tersine çevrilemeyen bir şekil değişikliği ) denilen şeye neden olursunuz. Bunu birkaç kez yaparsanız, ataç ikiye ayrılır; bu da farklı bir tür tersine çevrilebilir değişimdir. Bu, tekrarlanan kuvvetlerin bir malzemenin tamamen kırılmasına neden olduğu metal yorgunluğu adı verilen duruma bir örnektir. Uçak ve otomobil gibi makinelerde parçaların yüzlerce, binlerce, hatta bazen milyonlarca kez ileri geri esnetildikten sonra arızalanmasının nedenlerinden biri de budur.

Malzemelerin değiştirilmesi

    Kuvvetler farklı malzemeleri farklı şekillerde değiştirir. Elastik malzemeler bir kuvvet uyguladığınızda şekil değiştirir, ancak kuvveti kaldırdığınızda orijinal şekillerine geri dönerler. Plastik malzemeler de şekil değiştirir, ancak kuvveti kaldırdığınızda yeni şekillerinde kalırlar. Gündelik nesneler esneklik ve plastikliği birçok farklı şekilde kullanır:

1. Elastik: Bu büyük ataş, şekle geri dönmek için metalin esnekliğini kullanır. 
2. Plastik: Macun, içine ittiğiniz her şekli alır. 
3. Elastik ve plastik: Bu kutudaki halka çekme biraz elastiktir, ancak çok fazla iterseniz, alttaki kutuyu keser ve kalıcı, plastik bir şekil değişikliğine neden olur ( kutu yırtılır ). 
4. Plastik ve plastik: Diş macunu onu ittiğiniz her yere hareket eder, bu nedenle onu içeren tüp gibi plastiktir. 
5. Elastik ve plastik: Giysilerinizin elastik bel bandı onları vücudu saran bir formda tutar, ancak sonunda yavaş, plastik değişimle sarkacaktır. 
6. Elastik ve plastik: Spor ayakkabıların üst kısımları ( üst kısımları ) ve tabanları elastiktir, bu nedenle şekle geri dönerler, ancak aynı zamanda siz onları giydikçe kalıcı olarak şekil değiştirirler, ayaklarınızın şekline göre kalıplanırlar, böylece size daha rahat otururlar. 

Güçleri büyütmek

    Vücudunuzla oldukça fazla kuvvet uygulayabilirsiniz. Halterciler devasa metal yığınlarını başlarının üzerine kaldırabilirken, bazı profesyonel güçlü adamlar kamyonları, trenleri ve uçakları dişleriyle bile çekebilir. Ancak en güçlü sporcunun bile yapabileceklerinin bir sınırı vardır. İnsan yaratıcılığı sayesinde, hikayenin sonu bu değil. Basit makineler denen akıllıca şeylerle kollarımızı ve bacaklarımızı çok daha büyük ve ağır ağırlıklarla hareket ettirebiliriz. Basit makineler arasında kaldıraçlar ( anahtarlar gibi ), makaralar, rampalar, tekerlekler ve dişliler bulunur. Bunların hepsi, vücudunuzun tek başına üretebileceğinden daha fazla kuvvet üretmesine izin vererek çalışır. Yani paslı bir somunu çevirmek için bir İngiliz anahtarı kullanırsanız, bir kuvveti büyütmek için bir kaldıracın gücünü kullanmış olursunuz: kaldıraç ne kadar uzunsa, merkezdeki kuvvet o kadar fazla büyütülür. Kenarda daha az kuvvet uygularsınız ( böylece daha kolay hissedersiniz ), ancak anahtar uyguladığınız kuvveti büyüterek merkezde daha fazla kuvvete dönüştürür ( böylece somun daha kolay döner ). İşin püf noktası, sert paslı somunu yerinden oynatmak için anahtarın ucunu daha büyük bir mesafede çevirmeniz gerektiğidir.

    Vinçler, kazıcılar, buldozerler ve biçerdöverler gibi devasa günlük makineler karmaşık işleri yerine getirmek için bir dizi basit makine kullanır. Bunların çoğunda, bir ucu diğerinden daha kalın olan ve su tabancalarına benzeyen sıvı dolu silindirler olan hidrolik koçlar bulunur. Sıvı daha küçük bir hacimden daha büyük bir hacme doğru hareket ederken ( ince uçtan kalın uca doğru ) yavaşlar ancak güç kazanır. İşte bu şekilde bir insanın koluyla çalıştırılan hidrolik bir koç, bir kamyonu yerden kaldırmak gibi bir şey yapabilir.

Kuvvetlere hakim olmak

    Kuvvetler bizi yerimizde sabit tutar. Şu anda kıpırdamadan oturmuş bunu okuyorsunuz çünkü sandalyenizdeki atomlar, vücudunuzdaki atomları elektriksel olarak iterek, yerçekimi kuvvetini tam olarak dengeleyen, aşağı çeken, yukarı doğru bir itme kuvveti yaratıyor. Yerçekimi çoğumuzun karşılaştığı en büyük, en cesur kuvvettir ve Dünya'nın ateşli merkezinden evrenin diğer ucuna kadar uzanır.

    İnsanoğlunun büyük başarıları çoğu zaman yerçekimi gibi güçlerin üstesinden gelmeyi gerektirmiştir. Wright kardeşler 1903 yılında ilk motorlu uçuşu gerçekleştirdiklerinde, yerçekiminin üstesinden gelebilecek kadar güçlü bir kaldırma kuvveti üretmek için kanatlar ve bir motor kullandılar. Robert Hutchings Goddard gibi öncüler uzay roketlerini kullanarak Dünya'nın yerçekiminden geçici olarak “kaçmak” için yeterli kuvveti nasıl üreteceklerini bulduktan sonra astronotlar uzaya fırladılar. Jacques Piccard ve Don Welch 1960 yılında en derin okyanusun dibine yaklaşık 11 km ( 6,7 mil ) daldıklarında, bunu süper güçlendirilmiş bir dalış çanıyla ( Trieste adlı bir batiskaf ) yaptılar. Bu derinlikteki su basıncının muazzam, ezici gücüne ( Dünya'nın yerçekiminin neden olduğu başka bir şey ) direnmek için 12,7 cm ( 5,0 inç ) kalınlığında duvarları vardı.

    Daha uzun süre daha uzağa ya da daha hızlı gitmeye çalışan herkes, şu ya da bu tür güçlerin üstesinden gelmek zorundadır. Hız rekorları kırabilen arabalar geliştiren mühendisler sürtünme ve sürüklenme ( hava direnci ) gibi güçlerle savaşmayı öğrenmişlerdir. Daha uzağa koşan ya da daha yükseğe zıplayan atletizm yıldızları, rakiplerini alt edebilmek için vücutlarını daha uzun süre daha fazla güç üretecek şekilde eğitmişlerdir. Daha hızlı uçaklara, daha dayanıklı tanklara ya da mermileri daha uzağa ateşleyen silahlara sahip ordular, kuvvetleri kendi avantajlarına kullanmaktadır.

    Bazılarımız beynini daha akıllıca düşünmek için kullanır. Diğerleri daha yaratıcı düşünür ve şaşırtıcı ve orijinal şeyler yapar. Ancak her fiziksel başarı nihayetinde yerçekimi ve sürtünme gibi güçlerin üstesinden gelmek için bilimi kullanmaya dayanır, böylece daha önce kimsenin yapmadığı “imkansız” şeyleri yapabiliriz. Perde arkasındaki bilimi anlayın ve güç her zaman yanınızda olsun!

Hareket

    Kuvvetlerin nesneleri hareket ettirebildiğini zaten gördük, ancak kuvvetler ve hareket tam olarak nasıl birbirine bağlıdır? Farklı hareket miktarlarını nasıl ölçebiliriz ya da uçan bir merminin veya yükselen bir uzay roketinin nereye varacağını nasıl anlayabiliriz? Isaac Newton'un çalışmaları, kuvvetleri ve hareketi kolay anlaşılır bir şekilde birbirine bağlamamıza yardımcı olur. Ayrıca, kuvvet uyguladığımızda nesnelerin nasıl hareket edeceğini hesaplamamızı sağlar.

Newton'un üç hareket yasası

    Sir Isaac Newton ( 1642 - 1727 ) cisimlerin nasıl hareket ettiğini üç basit kanunla özetlemiştir. Genellikle basitçe Newton yasaları olarak adlandırılırlar ve hemen hemen her şey için geçerlidirler ( kuantum dünyasındaki çok küçük atom altı cisimler ve ışık hızına yakın hareket eden cisimler hariç ):

1. Hareketsiz olan şeyler hareketsiz kalır ve hareket eden şeyler, bir tür güç onları itmediği veya çekmediği sürece sabit bir hızla hareket etmeye devam eder. 
2. Bir kuvvet bir nesneye etki ettiğinde ( ittiğinde veya çektiğinde ), nesnenin hızını veya yönünü değiştirir ( başka bir deyişle, hızlanmasını sağlar ). Kuvvet ne kadar büyükse, nesne o kadar hızlanır.
3. Bir kuvvet bir nesneye etki ettiğinde, ters yönde etki eden eşit bir kuvvet ( tepki olarak adlandırılır ) vardır. Bu yasa bazen “etki ve tepki eşit ve zıttır” şeklinde yazılır.

Newton yasalarının uygulanması

    Bu yasalar pratikte nasıl işliyor? Bir kaykayın üzerinde durduğunuzu varsayalım. Bir şeye tekme atmadığınız sürece, sonsuza kadar üzerinde durur ve hiçbir yere gitmezsiniz. Bu Newton'un ilk yasasıdır. Şimdi kaldırıma tekme atarsanız, hareket etmeye başlarsınız: hızınız artar ve ne kadar sert tekme atarsanız o kadar hızlanırsınız. İşte Newton'un ikinci yasasına bir örnek. Peki ya üçüncü yasa? Kaldırıma tekme attığınızda kaldırım sizi eşit ve zıt bir tepki kuvvetiyle iter ve sizi ileriye doğru iter.

Sadece hareket

    Hareket yasaları hakkında hatırlanması gereken önemli bir şey, bunların yalnızca hareket eden şeyler için geçerli olduğudur - hareket halindeki şeyler! Örneğin, ayaklarınıza bakıp neden yere batmadan sağlam bir şekilde durduğunuzu merak ediyorsanız, bunun açıklamasının Newton'un üçüncü hareket yasasıyla ( etki ve tepki ) hiçbir ilgisi yoktur. Ayakkabınızdaki atomlar ile yerdeki atomlar arasındaki itici, elektrostatik kuvvetler ( yukarı doğru iten ) yerçekimi kuvvetini ( aşağı çeken ) tam olarak dengelediği için sabit duruyorsunuz. Hareket yoktur, bu nedenle Newton'un ikinci ve üçüncü yasaları geçerli değildir. Birinci yasa geçerlidir: Vücudunuz hareketsizdir çünkü üzerine etki eden genel bir kuvvet yoktur. Eğer yer aniden çökerse, yukarı doğru olan kuvvet artık ağırlığınızı dengelemeye yetmeyecektir. Aşağı doğru net bir kuvvet oluşur ve yere doğru ivmelenmenize neden olur.

Hareketin ölçülmesi

    Bu uçak ne kadar hızlı? Benim arabam seninkinden daha mı hızlı gidecek? Eve dönerken en çok benzini hangimiz kullanacağız? Bir roketi Dünya'dan ateşleyip Ay'a tam olarak inmesini nasıl sağlayabilirsiniz? Bu gibi soruları yanıtlamak istiyorsanız, hareketi ölçebilmeniz gerekir. Bunu yapmanın dört ana yolu vardır: hız ve sürat, ivme, momentum ve kinetik enerji.

Hız

    Bir spor araba yürüyebileceğinizden 50 kat, yürüyebileceğinizden 8 kat daha hızlı gidebilir koşmak. Bunun nedeni, motorunun benzini çok daha fazla güce dönüştürmesidir Vücudunuzdan daha hızlı bir şekilde kaslarınızı pompalamak için yiyecekleri yakabilir. Bir araba ne kadar hızlı gaz yakarsa, o kadar hızlı gidebilir - o kadar fazla sahip olduğu hız.

    Bilimde hızı, bir şeyin bir saniyede kat ettiği mesafe olarak tanımlarız. Bir arabanın ortalama hızını, oraya varmak için ne kadar sürdüğüne ne kadar uzağa gittiğine bölerek anlayabilirsiniz. Bir araba 100 km/h ( 60 mph ) hızla gidiyorsa, bir saatte 100km ( 60 mil ) gidebilir.

    Hızın formülü şudur:

    Hız = d/t

    Burada d uzaklık ve t zamandır. 

    Bundan bir arabanın bir tür zaman makinesi olduğunu görebilirsiniz: hızını bir yere daha hızlı ulaşmak için kullanabilirsiniz. Eğer sen İki kat daha hızlı gidin, yarı sürede varabilirsiniz. Ne kadar hızlı gidersen, Oraya ne kadar erken varırsanız o kadar çok zaman kazanırsınız. Tabii ki, sen aslında sen ayrılmadan önce asla varamazsın - bu almak olurdu Bilim biraz uzak!

Velocity

    Velocity, hız için kullanılan başka bir kelime değildir: belirli bir yöndeki hızınız anlamına gelir. Bir Formula-1 arabası dar bir virajı döndüğünde hızı aynı kalır, ancak hızı sürekli değişir çünkü sürekli döner ve yön değiştirir.

    Kuzey Kutbu'ndan Güney Kutbu'na düz bir çizgide 100 km/h hızla gittiğinizi varsayalım ( 60 mph ) ve sonra aynı hızda tekrar geri sürdü. Ortalama hızınız şöyle olacaktır: 100 km/h ( 60 mph ), ancak ortalama hızınız sıfır olacaktır. Yani çünkü Güney'den Kuzey'e olan hızınız tam tersi olacaktır Kuzeyden güneye doğru hız ve ikisi birbirini takip ederdi.

    Hızın formülü budur:

    Velocity = d/t

    Burada da d uzaklık ve t zamandır. Bu formülün hız formülüyle aynı olduğunu fark edeceksiniz. Ancak hızın hangi yöne gittiğini de belirtmeniz gerektiğini unutmayın.

İvme

    Eğer bir sürücüyseniz, hızlanma daha hızlı gitmek için ayağınızı yere basmak anlamına gelir. Fakat eğer bir bilim insanıysanız, hızlanma aynı zamanda frene basmak anlamına gelir. Bunun nedeni, hızlanmanın hızınızdaki herhangi bir değişiklik anlamına gelmesidir. Hızlanmak bir hızlanmadır, fakat yavaşlamak da öyledir — sadece negatif bir hızlanmadır. Ve hızınız belirli bir yöndeki hızınız olduğundan, hızınızı değiştirseniz de değiştirmeseniz de her köşeyi döndüğünüzde hızlanırsınız.

    Bir araba ağır bir metal yığınıdır ve onu hareket ettirmek, hızlandırmak, yavaşlatmak veya döndürmek için çok fazla kuvvet gerekir. Bir şey ne kadar ağırsa, hızlanması için o kadar fazla kuvvet gerekir. Bu yüzden kamyonlar, çok daha büyük motorlara sahip olmalarına rağmen, arabalardan daha uzun sürede hızlanırlar.

    İnsanlar arabaları 0 - 100 km/s ( 0 - 60 mph ) hıza ulaşmalarının kaç saniye sürdüğüne bakarak karşılaştırırlar. Bir araba 5 saniyede 0 - 100 km/s hıza ulaşabiliyorsa, hızını 5 saniyede 100 km/s değiştirir, bu nedenle ivmesi saniyede 20 km/s olur. Bu, hızınızı her saniye 5,5 metre/saniye değiştirmekle aynıdır. Bilim insanları bunu 5,5 m/s/s veya 5,5 m/² olarak yazarlar ( ve yüksek sesle "saniye kare başına beş nokta beş metre" olarak söylerler ).

    Hızlanma formülü budur:

    a = v/t

    Burada v hız, t ise zamandır. 

Momentum

    Bir nesnenin momentumu, ne kadar hareket etmek istediğinin ve durduğunda ne kadar süre kuvvet uygulayabileceğinin bir ölçüsüdür. Bir şeyin momentumunu, kütlesini hızıyla çarparak bulabilirsiniz:

    Momentum = mv

    Burada m kütle ve v hızdır.

    İki şey birbirine çarparsa, çarpışmadan önce ve sonra toplam momentumları aynıdır. Bu, momentumun korunumu adı verilen temel bir fizik yasasıdır. Bir araba duvara çarparsa, duvarın parçaları hareket etmeye başlar — bu yüzden arabanın kaybettiği momentumu kazanırlar ve bu da onu yavaşlatır.

Kinetik enerji

    Bir şeyi hareket ettirmek için enerji gerekir ve ne kadar hızlı giderse o kadar fazla enerjiye ihtiyaç duyar. Başka bir deyişle, enerji hızı besler. Bir şeyin hareket ederken sahip olduğu enerjiye kinetik enerji denir. Bir arabanın kinetik enerjisini şu formülden hesaplayabilirsiniz:

    Kinetik enerji = 1/2mv²

    Burada, m arabanın kütlesi ve v de hızıdır. Bir arabanın ağırlığını iki katına çıkarırsanız ( arkasına bir karavan ekleyerek ), aynı hızda gitmek için iki kat daha fazla enerji kullanmanız gerekir. Hızınızı iki katına çıkarmak istiyorsanız, dört kat daha fazla enerjiye ihtiyacınız olacak çünkü enerji hızınızın karesiyle ilişkilidir.

Dürtü nedir?

    Isaac Newton'un ikinci yasası bize kuvvetin ivmeye neden olduğunu söyler ve bu yasayı bir denklem olarak yazabiliriz: 

    F = m a

    Yani ne kadar çok kuvvet uygularsanız, o kadar çok ivme kazanırsınız. Fakat aynı denklem bize a = F / m olduğunu söyler, yani bir nesne ne kadar büyükse, aynı büyüklükteki bir kuvvet tarafından o kadar az ivmelendirilir. Eğer bir arkadaşınızdan iki kat daha ağırsanız ve ikinize de aynı itmeyi verirsem, arkadaşınız iki kat daha hızlı ivmelenecektir.

    Şimdi yukarıdan da a = v / t olduğunu biliyoruz, bu yüzden Newton'un ikinci yasasını şu şekilde yeniden yazabiliriz: 

    F = m v / t

    Başka bir deyişle, kuvveti momentumun değişim oranı olarak tanımlayabiliriz: Bir şeyin momentumu ne kadar hızlı değişirse, ona o kadar fazla kuvvet etki eder. 

    Denklemi bir kez daha yeniden düzenlersek şunu elde ederiz: 

    F t = m v

    Momentumdaki değişim, bir şeye etki eden kuvvetin etki ettiği süre ile çarpımına eşittir, Ve buna dürtü denir. Dürtü basitçe F × t'dir.

Sportif dürtü

    İmpulslar sporda gerçekten önemli bir kavramdır — iki nedenden dolayı. Diyelim ki bir futbol topunu çok uzağa tekmelemek istiyorsunuz veya bir tenis topunu rakibinize çok sert vurmak istiyorsunuz. Topa çok fazla momentum ( veya tercih ederseniz enerji ) vermeniz gerekecek ve bunu yapmak için botunuzu ( veya tenis raketinizi ) mümkün olduğunca uzun süre topa uygulamanız gerekecek — buna takip etme denir. t'yi ( kuvvetin etki ettiği süre ) mümkün olduğunca uzun yapmak, momentumda daha büyük bir değişiklik yaratır. Bunu düşünürseniz, dünya çapında bir atletseniz gerçekten değiştirebileceğiniz tek şey t'dir: topun sabit bir kütlesi ( m ) vardır ve yalnızca belirli bir miktarda kuvvet ( F ) sağlayabilirsiniz, bu nedenle momentumu ( m v ) en üst düzeye çıkarmanın tek yolu, kuvvetinizi uyguladığınız süreyi ( t ) en üst düzeye çıkarmaktır.

    Sporcuların kaslarıyla kuvvet uyguladıkları süreyi artırmaya çalışmasının bir başka iyi nedeni daha var. Hızlı hareket eden bir beyzbol veya kriket topunu yakaladığınızı varsayalım. Oldukça ağırdır ve size doğru yüksek bir hızla fırlamaktadır, bu nedenle oldukça fazla momentumu vardır. Ellerinizi ve kollarınızı vücudunuza çekerek topu yavaşça durdurursanız, süreyi ( t ) artırırsınız, böylece ellerinizin ve kolunuzun hissettiği kuvvet ( m v / t ) daha küçük olur ve top size daha az zarar verir. Ellerinizi veya kollarınızı hareket ettirmeden bir topu yakalamaya çalışırsanız, t'yi çok küçük yaparsınız, bu da m v ​​/ t'nin daha büyük olduğu ve topun size daha fazla zarar vereceği anlamına gelir. Aynı şey, bir beyzbol sopasıyla veya tenis raketiyle topa vurmak, cirit atmak veya kaslarınızla başka bir şekilde kuvvet uygulamak için de geçerlidir. Genel olarak, tüm sporcular vücutlarına gelen etkiyi ve yaralanma riskini azaltmak için kaslarıyla mümkün olduğunca uzun süre kuvvet uygulamaya çalışırlar.