Newton’un Hareket Yasaları

Lisede gördüğünüz fizik derslerinden muhtemelen Newton‘un hareket yasaları aklınızda az çok kalmıştır. O zaman belkide çok önemsemediğimiz bu yasalar uzay yolculuklarının temelini oluşturduğu için, Kepler yasaları gibi çok iyi anlamış olmamız gerekiyor.

Newton, bir önceki yazımızda bahsettiğimiz Kepler’den yaklaşık bir 50 yıl sonra yaşamış (d:1643 – ö:1727) ve klasik mekaniğin temellerini atan “Principia” isimli kitabında 3 adet meşhur hareket yasasını paylaşmıştır. Ayrıca Newton, Kepler’in yasalarını matematiksel olarak ispatlamıştır.

1. yasa

“Bir cisim üzerine dengelenmemiş bir dış kuvvet etki etmedikçe, cisim hareket durumunu (durağanlık veya sabit hızlı hareket) korur.”

Newton’un birinci kanuna göre sabit bir cisme ekstra bir net kuvvet uygulanmadığı sürece cisim hiç bir zaman harekete geçmez. Benzer şekilde sabit hızla hareket eden bir cisme harici bir net kuvvet uygulanmadığı sürece cisim sabit hızlı hareketini korur.

Bu yasanın ilk kısmı, yani ekstra bir net kuvvet uygulanmadıkça sabit bir cismin harekete geçmeyeceği prensibi, gayet net ve sürekli tecrübe ettiğimiz bir olay. Yani çimde sabit duran bir futbol topu, ona vuran olmadıkça (ya da kuvvetli bir rüzgar esmedikçe) yerinden hareket etmeyecektir.

Fakat ikinci kısmı yani sabit hızla giden bir cisme harici bir net kuvvet uygulanmadığı sürece sabit hızlı hareketini korayacaktır ifadesi yeryüzünde pek deneyimleyemediğimiz bir durum.

Çünkü yerde hareket eden cisimler yer çekiminin neden olduğu sürtünmeden dolayı, havada gidenler ise havanın direncinden dolayı hızlarını kaybettiklerinden, sürekli sabit hızla hareket etmeleri mümkün değildir. Ancak buz pisti gibi sürtünmenin daha az olduğu bir yüzeyde bir cisim kaydırırsak, o zaman Newton’un bu yasası daha iyi gözlemlenir olur.

Fakat bu yasanın en güzel gözlemleneceği ortam uzay ortamıdır. Çünkü uzayda hava direnci veya sürtünme olmadığı için uzaydaki cisimler (örneğin uydular) hızlarını korurlar. (Önemli not: Uzayda hava direnci veya sürtünme hiç yoktur demek aslında tam olarak doğru değil, bu konuya ilerde detaylı değineceğiz.)

Bu yüzden uzaya giden araçların sürekli motor kullanmalarına gerek olmaz.  Belli bir hıza eriştiklerinde roket motorlarını kapatırlar çünkü uzun süre hızlarını koruyacaklardır.

Bir de bir cismin hareketini değiştirmek için gerekli net kuvvet her zaman sıfırdan farklı olmalıdır. Örneğin sabit duran bir kutuyu biri birine tam zıt iki farklı yönden ama eşit kuvvette çekmeye kalkarsak, kutu yine sabit kalmaya devam edecektir üzerine kuvvet uygulamamıza rağmen. Çünkü zıt yönlü ama eşit kuvvetlerin oluşturduğu net kuvvet sıfırdır.

Newton’un birinci yasası eylemsizlik (atalet) yasası olarak da adlanlandırılır çünkü her cismin bir ataleti vardır ve bu atalet, cismi yerinde duruyorsa yerinde durmaya devam etmeye, hareket halinde ise hareket halinde kalmaya zorlar. Hızla giden bir aracın üzerinde sabitlenmeden duran bir cisim, araç ani firen yaptığında ileri fırlayacaktır (emniyet kemeri takmayan sürücü gibi). Çünkü cisim hızını korumak istiyordur ama önce hava direnci sonra da yerdeki sürtünme cismin eninde sonunda durmasına neden olacaktır. (Uzayda olsaydı hiç durmadan devam edecekti)

Son olarak bir cismin kütlesi ne kadar büyükse ataleti de o kadar yüksektir. Yani büyük kütleli cisimleri hareket ettirmek veya hareket halinde ise durdurmak için çok daha fazla kuvvet gerekir ki bunu aşağıdaki ikinci yasada daha iyi anlayacağız.

2. yasa

“Bir cisim üzerindeki net kuvvet, cismin kütlesi ile ivmesinin çarpımına eşittir.”

Bir önceki yasada bir cismin eylemsiz kalmaya (duruyorsa sabit, gidiyorsa hızını korumaya) meyilli olduğundan bahsetmiştik. Newton’un ikinci yasası ise sabit bir cismi hareket ettirmek, ya da hareketli bir cismi durdurmak ya da hızını/yönünü değiştirmek için ne kadarlık bir kuvvet gerektiğini formalize eder. Bu formül de meşhur F=ma yani Kuvvet = kütle x ivme formülüdür.

İvme, hız değişim oranıdır. İlk yasada bahsettiğimiz bir cismin ataletini (eylemsizliğini) kırmak için cisim üzerine net bir kuvvet uygulamamız gerekir. İşte bu kuvvet, cismin kütlesine ve ivmesine (dolayısıyla hızındaki değişime) bağlıdır.

Örneğin bir uydunun kütlesi ne kadar büyükse, dünyanın yer çekimi kuvvetinden kurtarmak ve başka bir gezegenin yörüngesine oturtmak için o kadar büyük bir kuvvet gerekecektir.

Bu yüzdendir ki uzayda hava direnci olmadığı için cisimleri hızlandırmak kolay gibi gözükse de, hızlandırıldığı ölçüde yavaşlatmak da büyük bir problemdir. Yani uzay aracı tüm yakıtını hızlanmak için kullanırsa hedefine çok hızlı ulaşacaktır ama hedefinde tekrar yavaşlaması gerekiyorsa yakıtı olmadığı için bu imkansız hale gelecektir.

New Horizons isimli uzay aracının Pluto’nun yanından geçerken fotoğrafını çekebilmek için çok kısa bir süresi olması işte bu yüzdendir. Çünkü Pluto’nun da yerçekimi etkisiyle son hızı saniyede 23 km’ye (saatte 83.000 km) çıkmıştır. Bu yüzdendir ki gerçek hayatta uzay gemileri Hollywood filmlerindeki gibi yüksek hızlara çıkıp sonra aniden duramazlar 🙂 Bu konuyla ilgili daha sonra detaylı tartışacağız  ama akılda yer etmesi için önden paylaşayım istedim.

3. yasa

“Bir cisme, bir kuvvet etkiyorsa; cisimden kuvvete doğru eşit büyüklükte ve zıt yönde bir tepki kuvveti oluşur.”

Newton’un son hareket yasasına göre her aksiyonun eşit ve zıt yönünde bir reaksiyonu vardır. Ya da başka bir değişle “Her etkiye karşı zıt ve eşit yönlü bir tepki kuvveti oluşur.”

Bu kanunu en iyi gözlemleyebileceğiniz deney, bir balonu neredeyse patlayacak hale gelinceye kadar şişirip ağzını bağlamadan serbest bırakmaktır. Göreceksiniz ki balon ağzından çıkan havanın tam zıt yönünde hareket edecektir. Uzaya uyduları götüren roketler de aslında tam da bu kanunla hareket eder.

Newton üç adet hareket yasasını kabaca açıklamaya, daha doğrusu hatırlatmaya çalıştım. Çünkü bunlar Kepler’in yasalarında olduğu gibi uzay yolculuklarının temelini oluşturuyor. Bunları tam olarak anlamadan önümüzdeki yazılarda tartışacağımız diğer konuları anlamamız kolay olmayacaktır.

Bu yazının devamı için de “Newton’un Evrensel Kütle Çekim Yasası” yazımıza göz atmayı unutmayın.

Kaynaklar:

https://www.wikizero.com/tr/Newton%27un_hareket_yasaları