Hooke Yasası: Elastiklerin Davranışı Mühendislik ve Birçok Alanda Kullanımı

0

Hooke Yasası nedir? Esnek maddelerin (elastiklerin) özellikleri ve davranış şeklinin açıklaması, Hooke yasasının kullanım alanları hakkında bilgi.

Hooke Yasası

Hooke Yasası

Aslen saatlerin içindeki yayların esnemesinden türetilen Hooke yasası, kuvvet uygulandığında maddelerin şeklinin nasıl değiştiğini (deforme olduklarını) gösterir. Esnek maddeler kendilerine uygulanan kuvvetle orantılı olarak esner. Bilimin yanı sıra mimariye de çok katkısı olan, üretken biliminsanı Robert Hooke’un yalnızca bu yasayla hatırlanması ilginçtir. Fakat tıpkı çok yönlü kaşifi gibi, Hooke yasası da mühendislik, inşaat, malzeme bilimi gibi birçok alanda kullanılır.

Kol saatimize bakıp zamanı kolayca öğrenmemizi, 17. yüzyılın çok yönlü İngiliz biliminsanı Robert Hooke’a borçluyuz. Hooke yalnızca saatin kaçırma mekanizmasını ve denge yayını icat etmekle kalmamış, İngiltere’nin en eski akıl hastanesi Bedlam’ı inşa etmiş ve biyolojideki hücre terimine isim babalığı yapmıştır. Hooke matematikçiden ziyade deneyciydi. Londra’daki Kraliyet Derneği’nde bilimsel gösteriler düzenlemiş, ayrıca birçok aygıt icat etmiştir. Yaylar üzerine çalışırken bir yayın uzama miktarının onu çektiğiniz kuvvetle orantılı olduğunu söyleyen Hooke yasasını bulmuştur. Örneğin yayı iki kat kuvvetle çekerseniz iki kat esner.

Esneklik

Hooke yasasına uyan maddelere “esnek” (elastik) denir. Esnek bir madde hem esner hem de uygulanan kuvvet ortadan kaldırıldığında başlangıçtaki şekline geri döner yani esnemesi tersinirdir. Lastik bantlar ve yaylar böyle davranır. Ama sakız böyle davranmaz – çektiğinizde gerilir ama bıraktığınızda gerilmiş olarak kalır. Birçok madde belli bir kuvvet aralığında esnek davranır. Ama fazla çekildiklerinde kopabilir ya da bozulabilirler. Seramik ve kil gibi diğer maddeler esnek olarak nitelendirilemeyecek denli katı veya yumuşaktır.

Robert Hooke

Robert Hooke 1635-1703

Robert Hooke İngiltere’nin Wight adasında bir papazın oğlu olarak doğdu. Oxford’daki Christ Church’te öğrenim görürken fizikçi ve kimyacı Robert Boyle’un asistanı oldu. 1660’ta esneklik yasasını (Hooke yasası) buldu ve çok geçmeden Kraliyet Derneği’ndeki toplantılar için Deney Sorumlusu olarak atandı. Beş yıl sonra yayımladığı Micrographia’da, bitki hücrelerinin mikroskop altındaki görünüşünü keşişlerin yaşadığı hücrelere benzeterek “hücre” terimini kullandı. Büyük Londra yangınından sonra 1666’da Christopher Wren ile birlikte Londra’nın yeniden inşasına yardım etti. Birlikte Greenwich Kraliyet Gözlemevi’ni, Büyük Yangın Anıtı’nı ve Bedlam Kraliyet Hastanesi’ni yaptılar. 1703’te Londra’da öldü ve Londra’daki Bishopsgate’e gömüldü. Mezarı 19. yüzyılda Kuzey Londra’ya taşındıysa da mezarının şu anda bulunduğu yer bilinmiyor. Şubat 2006’da Hooke’un uzun süredir kayıp olan Kraliyet Derneği toplantı notları ortaya çıkarıldı. Notlar şimdi Londra’daki Kraliyet Derneği’nde bulunuyor.

Hooke yasasına göre, esnek bir maddeyi aynı uzunlukta germek için hep aynı miktar kuvvet gerekir. Bu kuvvet maddenin sertliğine bağlıdır. Sert bir maddeyi germek için büyük bir kuvvet gerekir. Sertliği çok yüksek maddeler arasında elmas, silisyum karbür ve tungsten sayılabilir. Alüminyum alaşımları ve ahşap ise daha bükülebilir maddelerdir.

Esnetilen bir maddenin “gerinim” altında olduğu söylenir. Gerinim, esnemeden kaynaklanan uzunluk artışının yüzde olarak ifadesidir. Birim alana uygulanan kuvvet ise gerilim olarak bilinir. Sertlik, gerilimin gerinime oranı olarak tanımlanır. Çelik, karbon lifi ve hatta camın bile küçük gerinimler için sabit bir esneklik katsayısı vardır ve dolayısıyla bunlar da Hooke yasasına uyar. Binalar inşa edilirken mimarlar ve mühendisler bu özellikleri dikkate, alır. Böylece yapıya ağır yükler uygulandığında yapı esnemez veya bükülmez.

Geri sekmek

Hooke yasası yalnızca mühendislerin işine yaramaz. Her yıl bungee jumping yapan binlerce sırt çantalı gezgin, yüksek bir platformdan esnek bir kabloya bağlı şekilde atlarken Hooke yasasına güvenir. Hooke yasası, atlayıcının ağırlığının etkisiyle kablonun ne kadar esneyeceğini söyler. Vadinin tabanına doğru baş aşağı dalış yapan bedenin vadi tabanına çarpmadan hemen önce geri çekilmesi için bu hesabı doğru yapmak ve uygun uzunlukta kablo kullanmak çok önemlidir. Bungee jumping spor olarak 1979’da Bristol’deki Clifton asma köprüden dalış yapan gözü pek ingilizler tarafından başlatılmıştır. Bu konuda Vanuatu yerlilerinin cesaret testi olarak ağaç sarmaşıklarıyla ayak bileklerinden bağlı biçimde yüksekten atlama görüntülerinden esinlenildiği anlaşılıyor. İlk bungee jumping’ciler tutuklandı ama insanlar köprülerden atlamaya devam ettiler ve bunu bütün dünyaya yayarak ticari bir etkinlik haline getirdiler.

gemi

Boylam

Gemiyle yolculuk edenler de başka bir şekilde Hooke yasasına bel bağlar. Kuzeyden güneye Güneş’in yüksekliğini izleyerek enlemi hesaplamak kolaydır ama Dünya’nm çevresinde boylamınızı, yani doğu-batı konumunuzu hesaplamak çok daha zordur. 17 ve 18. yüzyıllarda denizciler tam olarak nerede olduklarını belirleyemediklerinden, yaşamları hep tehlikedeydi, ingiliz devleti boylam ölçme sorununun üstesinden gelebilecek kişiye o zaman için büyük bir miktar olan 20.000 sterlinlik para ödülü koydu.

Dünya üzerinde doğudan batıya doğru yolculuk ederken yerel saatinizi bilinen bir başka yerin saatiyle, örneğin Londra’daki Greenwich’le karşılaştırarak boylamınızı ölçebilirsiniz. Saati buradaki gözlemevine göre belirlediğimiz için, Greenwich’in boylamını 0 derece kabul ederiz. Buna göre ölçülen saate de Greenwich saati deriz. Peki ama eskiden Atlas Okyanusu’nun ortasındayken Greenwich’teki zamanı nasıl bilebilirdiniz? Bunun için tıpkı şimdi Londra’dan New York’a uçtuğunuzda olduğu gibi yanınızda Londra zamanına ayarlı bir saat götürebilirdiniz. Ama 18. yüzyılın başında bu hiç de kolay değildi. O zamanlarda saat teknolojisi o kadar gelişmemişti ve dönemin en hassas saatleri olan sarkaçlı saatler denizde yalpalayan gemilerde işe yaramıyordu. İngiliz saatçi John Harrison, yana sallanan sarkaçlar yerine yayın ucunda aşağı yukarı sallanan ağırlıklar kullanarak yeni saatler geliştirdiyse de zorlu deniz testlerini bunlar da geçemedi. Zaman ölçümü için yay kullanmanın bir sorunu, yayın esnekliğinin sıcaklıkla değişmesiydi. Tropikal kuşaktan kutuplara kadar yolculuk yapan gemiler için bu sorun onları kullanışsız yapıyordu.

Harrison özgün bir çözüm üretti. Saate, birbirine yapışık iki farklı metalden oluşan bir şerit ekledi. Bu iki metal, örneğin pirinç ve çelik, ısındıklarında farklı miktarlarda genleşerek şeridin eğilmesine neden oluyorlardı. Saat mekanizmasına dahil edilen şerit, sıcaklık değişimlerini telafi ediyordu. Kronometre adı verilen Harrison’ın yeni saati para ödülünü kazandı ve boylam sorununu çözdü.

Harrison’ın deneysel saatlerinin dördü de bugün Londra’daki Greenwich Gözlemevi’nde bulunmaktadır. Pirinçten yapılmış olan ilk üçü oldukça büyüktür ve karışık yay denge mekanizmalarını gözler önüne sererler. İnce bir işçilikle yapılmışlardır ve çalışmalarını izlemek bir zevktir. Dördüncü ve kazanan tasarım çok daha küçüktür ve büyük bir cep saatini andırır. Estetik olarak daha az hoşa gider ama daha hassastır. Kuvarslı elektronik saatler ortaya çıkana kadar denizlerde hep buna benzer saatler kullanılmıştır.

Hooke

Hooke o kadar başarılı işler çıkarmıştır ki Londra’nın Leonardo da Vinci’si olarak adlandırılmıştır. Bilimsel devrimin anahtar bir oyuncusuydu. Gökbilimden biyolojiye kadar bilimin birçok alanına, hatta mimariye bile katkıda bulundu. Newton ile aralarındaki çatışma çok ünlüdür. İki biliminsanı da birbirlerine karşı büyük bir düşmanlık geliştirmiştir. Newton keşfettiği ışığın rengi kuramını reddettiği için Hooke’a çok sinirlenmiş, kütle çekim yasasının ters kare fikrini kendisine Hooke’un önermiş olduğundan hiç bahsetmemiştir.

Bütün bu başarılara rağmen Hooke’un daha iyi tanınmıyor olması şaşırtıcıdır. Hooke yasası böyle yaratıcı bir adam için oldukça mütevazı bir özgeçmiş olarak kalmıştır.


Bir Yorum Yazmak İster misiniz?