Newton'un Hareket Kanunları (Yasaları) Nelerdir? Örneklerle Açıklamaları

Newton’un hareket kanunları nelerdir? Eylemsizlik kanunu, dinamiğin temel kanunu, etki ve tepki kanunu açıklaması, bu yasaların hayatımızdaki yeri.

Newton Hareket Kanunları

NEWTON HAREKET KANUNLARI:

Isaac Newton tüm zamanların en önemli, en etkili ve en kavgacı bilimin -sanlarından biridir. Kalkülüsün icat edilmesini sağlamış, kütleçekimi açıklamış ve beyaz ışığın içerdiği renkleri tanımlamıştır. Golf topunun izlediği eğik rota, viraj alan bir otomobilde kapıya doğru savruluşumuz ve beyzbol sopası topa çarptığında hissettiğimiz kuvvet onun ortaya koyduğu üç hareket yasasıyla açıklanır.

Her ne kadar Newton’ın zamanında motosiklet daha icat edilmemiş olsa da, motosiklet kullanan dublörlerin düşey ölüm duvarına nasıl çıktığını ve olimpiyatlarda bisikletçilerin eğimli bir parkurda nasıl yarıştığını onun hareket yasalarıyla açıklarız.

17. yüzyılda yaşayan Newton, bilimin en önde gelen dehalarından biri kabul edilir. Fırlatılan bir topun havada nasıl bir eğik rota izlediği, nesnelerin neden yukarı değil de aşağı düştüğü ve gezegenlerin Güneş’in çevresinde nasıl döndüğü gibi çok basit görünen ama aslında çok temel ve derin olan bazı gerçekleri anlamamız, onun aşırı meraklı kişiliği sayesinde olmuştur.

1660’lı yıllarda Cambridge Üniversitesi’nde sıradan bir öğrenci olan Newton, matematiğin büyük eserlerini okumaya başladı. Ve okudukça hukuk yasalarından fizik yasalarına doğru sürüklendi. Veba salgını nedeniyle üniversitenin kapalı olması yüzünden çalışmalarını evinde sürdürdüğü bir dönemde, hareketin üç yasasını geliştirmeye yönelik ilk adımları attı.

Kuvvetler

Newton ilk hareket yasasını Galileo’nun eylemsizlik ilkesine dayanarak formüle etti. Bu yasaya göre cisimler kendilerine kuvvet uygulanmadıkça hareket etmeye başlamazlar veya hızlarını değiştirmezler. Hareketsiz duran nesneler, bir kuvvet uygulanmadıkça hareketsizliklerini sürdürürler. Sabit hızla ilerleyen nesneler ise bir kuvvet uygulanmadıkça aynı hızla ilerlemeyi sürdürürler. Bir kuvvet (örneğin itme) nesneye ivme verir ve nesnenin hızı değişir. Hızın zamanla değişimine ivme denir.

Bunu kendi hayatımızdaki örneklerden takdir etmemiz zordur. Bir hokey topuna vurulduğunda, top buzda kayarak ilerler ama buza sürtünmesinden dolayı en sonunda durur. Sürtünme, topun ters yönde ivmelenmesine, yani yavaşlamasına yol açan bir kuvvet uygular. Newton’in ilk yasası, ortamda hiçbir sürtünmenin olmadığı özel bir durum olarak görülebilir. Buna en çok yaklaşabileceğimiz ortam uzaydır ama orada bile kütleçekim gibi kuvvetler işbaşındadır. Sonuç olarak bu ilk yasa kuvvet ve hareketi anlamak için temel bir mihenk taşı oluşturur.

1-Eylemsizlik Kanunu:

“Doğada hiçbir cisimle etkileşmeyen bir cisim duruyorsa durmasına, hareket ediyorsa sabit hızla doğrusal hareketine devam eder.”

Yani bir cisim üzerine hiçbir dış kuvvet etki etmiyorsa veya etki eden kuvvetlerin bileşkesi sıfır ise cisim ya durur ya da sabit hızla düzgün doğrusal hareket yapar.

$\displaystyle \sum \overset{\to }{\mathop{F}}\,=0$ ise

v = 0 durur

v = Sabit Düzgün doğrusal hareket

İvme

Newton’in ikinci hareket yasası, uygulanan kuvvetin büyüklüğü ile yarattığı ivmelenme arasındaki ilişkiyi kurar. Bir nesneye belli bir ivme vermek için gereken kuvvet, nesnenin kütlesiyle orantılıdır. Ağır nesneleri -daha doğrusu eylemsizliği büyük olanları- ivmelendirmek için gereken kuvvet, hafif nesnelerinkinden daha büyük olur. Yasaya göre, örneğin duran bir arabayı bir dakikada 100 km/saat hıza çıkarmak için gereken kuvvet, arabanın kütlesiyle ivmesinin çarpımına eşittir.

Newton’in ikinci yasası cebirsel olarak F = ma şeklinde ifade edilir. Yani kuvvet (F) eşittir kütle (m) çarpı ivme (a). Kütle (m) eşitliğin karşı tarafına atıldığında ikinci yasa, ivmenin birim kütleye düşen kuvvete eşit olduğunu söyler. İvme sabitse, kütle başına uygulanan kuvvet de sabittir. Dolayısıyla bir kilogramlık bir kütleyi hareket ettirmek için, küçük bir cismin parçası da olsa, büyük bir cismin parçası da olsa, aynı miktarda kuvvet gerekir. Bu da Galileo’nun “Aynı yükseklikten bırakılan tüy mü, yoksa gülle mi yere önce ulaşır?” sorusunu yanıtlar. Gözümüzde canlandırdığımızda güllenin tüyden önce ulaşacağını düşünebiliriz. Ama bunun nedeni tüyün hızını azaltan hava direncinden başka bir şey değildir. Ortamda hiç hava olmasaydı, ikisi de aynı hızla düşecek ve yere aynı anda ulaşacaklardı, ikisine etki eden ivme aynı ivme olduğundan (yerçekimi ivmesi), tam aynı anda düşeceklerdi. 1971’de Apollo 15 astronotları, tüyün hızını kesecek bir atmosferin bulun-madiği Ay’da, tüy ile ağır bir çekicin aynı hızla düştüğünü göstermişlerdir.

Newton'un Hareket Kanunları

2-Dinamiğin Temel Kanunu:

Dengelenmemiş bir kuvvet etkisinde bir cisim değişen hızlı (ivmeli) hareket yapar.

Dengelenmemiş kuvvet etkisinde cismin kazandığı ivme kuvvet ile aynı doğrultuda ve aynı yöndedir.

“Bir cisme etki eden bileşke net kuvvetin, o cisme kazandırdığı ivmeye oranı sabit olup cismin eylemsizlik kütlesine eşittir”

$\displaystyle \sum \overset{\to }{\mathop{F}}\,\ne 0$ ise $\displaystyle \overset{\to }{\mathop{{{F}_{net}}}}\,=\sum \overset{\to }{\mathop{F}}\,\Rightarrow \overset{\to }{\mathop{a}}\,$ değişen hareket

$\displaystyle \frac{\sum \overset{\to }{\mathop{F}}\,}{a}=Sabit=m$ olup dinamiğin temel kanunu $\displaystyle \sum \overset{\to }{\mathop{F}}\,=m.\overset{\to }{\mathop{a}}\,$ şeklinde basit bir matematiksel bağıntı ile ifade edilir.

Bu bağıntıdan Kuvvet birimi SI birim sisteminde

F = m . a
a = m/s
ve m = kg olup

F = kg . m/s² = Newton (N) bulunur.

UYARILAR:

► Bir cisme birden fazla kuvvet etki ediyorsa, cismin kazanacağı ivme kuvvetlerin bileşkesi doğrultusunda ve yönündedir.
► Bir cisme etki eden bileşke net kuvvet sabit ise cismin ivmesi de sabit olup cisim düzgün değişen hareket yapar.
► Cisme etki eden bileşke kuvvet değişiyorsa cismin ivmesi de değişir. Cisim değişen ivmeli hareket yapar.
► Cisme etki eden bileşke kuvvet cismin hareket doğrultusunda ise cismin hız vektörünün yalnız büyüklüğü değişir.
I- Kuvvet, cismin hareket yönüyle aynı yönde ise ivme (+) pozitiftir. Cisim hızlanır.
II-Kuvvet, cismin hareket yönüne zıt yönde ise ivme (—) negatiftir. Cisim yavaşlar.
► Cisme etki eden bileşke kuvvet cismin hız vektörüne dik ise cismin hız vektörünün yalnız yön ve doğrultusu değişir fakat büyüklüğü değişmez.
► Kuvvet-ivme grafiklerinde, doğrunun eğimi cismin kütlesini verir.

Newton üçüncü yasası

3- Etki-Tepki Kanunu:

Bir cisim üzerindeki kuvvetler, o cismin diğer cisimlerle etkileşmesi sonucu ortaya çıkar.

“Etkileşen iki cisimden biri diğerine bir F kuvveti uygularsa, diğer cisimde birincisine eşit büyüklükte fakat zıt yönde, aynı doğrultuda bir F’ kuvveti uygular.”

Birinci cismin uyguladığı kuvvete ETKİ dersek, ikinci cismin uyguladığı kuvvete TEPKİ denir.

$\displaystyle \overset{\to }{\mathop{{{F}_{etki}}}}\,=\overset{\to }{\mathop{-{{F}_{tepki}}}}\,$

Uyarı: Etki-tepki kuvvetleri zıt yönlü eşit büyüklükte kuvvetler olmasına rağmen bileşkeleri sıfır olmaz. Çünkü etki-tepki kuvvetleri hiçbir zaman aynı cisim üzerine etki etmez.

Etki-tepki kuvvetleri farklı cisimler üzerine etki ettiklerinden birbirlerini dengeleyemezler.

Bu üç yasa artı kütleçekimle Newton, ağaçlardan düşen palamutlardan top mermilerine kadar her nesnenin hareketini açıklayabiliyordu. Newton bu üç denklemin çıkarımlarının verdiği güvenle bir motosiklete atlayıp düz ölüm duvarını motosikletiyle döne döne çıkabilirdi, tabii o devirde böyle bir şey olsaydı.

Newton’ın yasalarına ne kadar güvenebiliriz?

Birinci yasa motosikletin ve sürücünün sabit bir hızda dümdüz gitmek istediğini söyler. İkinci yasaya göre motosikletin çember çizmesini sağlamak için yönünü sürekli değiştirecek sınırlayıcı bir kuvvetin uygulanması gerekir. Bu kuvveti uygulayan şey, motosikletin tekerlerinin değmekte olduğu duvardır. Gereken kuvvetin büyüklüğü ise motosiklet ve sürücünün toplam kütlesi ile ivmelerinin çarpımı kadardır. Üçüncü yasaya göre, duvar motosikletin kıvrılmasına yol açan bir kuvvet uyguladığına göre, motosiklet de duvara eşit bir kuvvet uygulayacaktır. Sürücüyü ve motosikleti dönmekte olan duvara tutturan şey işte bu basınçtır. Motosiklet yeterince hızlıysa düşey bir duvarda bile gidebilir.

Bugün bile arabayla hızla bir dönemeci dönerken ya da aman diyelim, bir yere çarptığınızda, işin içinde hangi kuvvetlerin olduğunu açıklamak için ihtiyacınız olan neredeyse tek şey Newton’ın yasalarıdır. Newton’ın yasalarının geçerli olmadığı durumlar, çok küçük kütleli nesnelerin bulunduğu ya da ışık hızına yakın hızlarla gidilen durumlardır. Bu uç durumlarda kuantum mekaniği ve Einstein’ın görelilik kuramı devreye girer.