Kuvvet Kavramı Kuvvetlerin Ölçümü

Bir cismin hareketini değiştirebilen ya da biçimini bozabilen her türlü neden.

Kuvvet Kavramı

Kuvvet kavramının kökeni fizyolojik­tir: Bir yükü taşımak, bir taş atmak, demir bir çubuğu bükmek için yapıl­ması gereken kas gücüne kuvvet de­nir. Daha derin bir inceleme, bir cis­min hız değişimine, bir katının biçimi­nin bozulmasına ilişkin çeşitli neden­lerin ya da nedenlere karşı koymaya eğilimi olan eylemlerin, aynı cinsten olan ve aynı birimle ölçülebilen bü­yüklükler olarak sayılabileceğini gös­terir. Demek ki, kuvvetler, ya dinamik etküeriyle (cisimlerin hareketlerine etkiler) ya da statik etkileri aracılığıy­la (dingin bir cisim üstünde dengele­nen etkiler) ortaya çıkarlar. Sözgelimi, herhangi bir cisim bırakıl­dığında, yerçekiminin neden olduğu bir kuvvet olan P ağırlığının etkisi altında, artan bir hızla düşer. Bu ağır­lık, enlem, yükselti ve dünyanın yöre­sel yapışma da bağlı olarak hafifçe değişir. Sıfır yükseltide, ekvatordan kutba geçildiğinde, bir cismin ağırlı­ğı % 0,5 artar.

Üst ucu sabit olan sarmal bir yaya herhangi bir cisim asılırsa, yay uzar ve bir denge durumuna erişir: Cisim hareketsiz hale gelmiştir, çünkü, biçi­mi bozulan yay, cisim üstünde, yerçe­kimi kuvvetine eşit ve ters bir tepki.

Bir Kuvvetin İşi

Bir kuvvetin uygulama noktası dİ ka­dar yer değiştirirse, tanım olarak, bu kuvvetin işi: dW = F.dl = F.dl .cos « olur, a , F ve dİ vektörleri arasında­ki açıdır. Yer değiştirme kuvvet doğ­rultusu ve yönünde gerçekleşirse, iş: dW = F.dl’dir. AB yer değişimi için, yapılan toplam iş şu integralle veri kuvveti etki ettirmekje ve böylece den­gelenmiş olmaktadır.

 

ür: W = /’ F.dl .cos a.

./^AB

Bir cisim hiçbir kuvvetin etkisi altın­da değilse ya da birbirlerini dengele­yen kuvvetlerin etkisi altındaysa, mut­lak koordinat sistemindeki (ya da Ga- lilei sisteminde) hızı, büyüklük ve doğ­rultu bakımından sıfırdır ya da sabit­tir. Cismin hareketi, düzgün doğrusal­dır. Hızı değişmeyen cisimler hiçbir kuvvetin etkisinde değildir.

Kuvvetlerin Sınıflandırılması

Her ne kadar fizikçiler, Einstein’m ça­lışmalarından bu yana bütün kuvvet­lerin tek bir olaydan (elektromagnetik olay) kaynaklandığını düşünürlerse de, kuvvetler üç kümede sınıflandırı­lırlar: 1. Uzaktan etkiyen kuvvetler ya da alan kuvvetleri; 2. temas kuvvetle­ri (ancak iki sistemin bağlantı kurması sonucu ortaya çıkar); 3. kohezyon (içtutunum) kuvvetleri (katı cisimlerin bükülmezliğini sağlarlar).

ALAN KUVVETLERİ. Bir cismin her bir öğesinin kütlesi üstüne etkirler; bu nedenle alan kuvvetlerine, bir yüzey üstüne etki eden temas kuvvetlerin­den ayırt etmek amacıyla, kütle kuv­vetleri de denir. Alan kuvvetleri, ha­vasız bir ortam içinde bile birbirinden uzaktaki cisimlere etkirler. Bunlar yerçekimi kuvvetleri, cisimlerin ağır­lığı ve elektrostatik, magnetik, elektro­magnetik kuvvetlerdir.

TEMAS KUVVETLERİ. Birbirleriyle ilişki halindeki katiların, içine girilmez ve bozulmaz olma özelliğinden kay­naklanırlar. Her iki cisme de ortak, küçük bir yüzeyde (temas yüzeyi) ger­çekleşen temas sonucu, bu bölgenin yakınlarında, katı hafifçe biçim değiş­tirir. Temas kuvvetleri yüzeye dik ol­duklarında, sürtünmesiz temas söz ko­nusudur. Oysa.bir katı, bir başkasına oranla yer değiştiriyorsa, temas kuv­vetleri, yüzeye oranla eğiktirler: Bu duruma da sürtünmeli temas denir. KOHEZYON KUVVETLERİ. Katiyı oluşturan atomlar, moleküller ya da iyonlar arasında etkirler. Makrosko- pik düzeyde, bu kuvvetler temas kuv­vetlerini andırırlar, ama atomik ölçek­te, alan kuvvetleri niteliğindedirler. Katilar arasındaki iemas etkileşimle­rinde temel nitelikte bir rol oynamak­la birlikte, açıkça işe karışmazlar.

Kuvvetlerin Ölçümü

Çeşitli kuvvetlerin etki ettirildiği bir yayın uzanımlarının karşılaştırılması, iki kuvvetin eşitliğinin ve toplamları­nın tanımlanmasına olanak sağlar. Demek ki, kuvvet, ölçülebilen bir bü­yüklüktür.

Kuvvetler vektörel büyüklüklerdir. Kuvvet vektörünün uygulama nokta­sı, kuvvetin cisme etkidiği nokta, doğ­rultu ve yönü, kuvvetin doğrultu ve yö­nü, modülüyse kuvvetin şiddetidir. Bu şiddet nevvton cinsinden belirtilir. Kuvvetlerin ölçümü, dinamometreler, teraziler ve genleşme ölçerlerle ger­çekleştirilir.

Aynı uygulama noktası bulunan iki F t ve F?. kuvvetini bileştirmek demek, bunların R bileşkesini, yani aynı an­da uygulanan F ve F₂ kuvvetlerinin- kine eşit etkilere neden olan kuvveti belirlemek demektir. İki kuvvetin bi­leşkesi, yön, doğrultu ve şiddet olarak vektörel hesap kurallarıyla verilir. Çi­zim l’de yöndeş kuvvetler örneği gös­terilmiştir.

Aynı eksendeki iki kuvvet söz konu­suysa, bileşkenin cebirsel ölçümü, kuvvetlerin cebirsel ölçümlerinin top Mekanikten başka alanlarda, kuvvet sözcüğü son derece farkh anlamlar­da kullanıhr. Kimyada, elektrolitin kuvveti (asit, baz, tuz) az ya da çok ay­rışma yeteneğidir. Bu kuvvet, elektro­litin ayrışma sabiti K ile ölçülür (küt­lelerin etkime yasası). Elektrokinetikte, elektromotor kuvvet (e.m.k.) olarak adlandırılan, gerçek anlamda bir kuvvet olmayıp, daha çok bir iş yeteneğidir. Bir düzende, bir açık devrenin iki noktası arasın­da bir potansiyel farkı sağlama ya da kapah bir devrede bir akım üretme olanağını somutlaştırır. Bunun için mekanik, ısıl ya da kimyasal enerji­nin dönüşümü gereklidir. Karşıt-elektromotor kuvvet (k.e.m.k.) alıcıların özelliğidir; bir ahcının, içine sokulduğu devredeki akım geçişine karşı koyma olasıhğına denk düşer.

Eylemsizlik Kuvveti

Bir F kuvveti, maddesel bir noktaya (yani, küçük bir madde öğesine) uy­gulandığında, mutlak koordinat siste­minde ölçülen bu noktanın hareketi­nin y ivmesi, kuvvetle orantıhdır:

•; = £. mskaler büyüklüğü madde­sel noktanın kütlesidir ve klasik dina­mikte, ışığın yayılma hızına oranla kü­çük hızlar için, sabittir. Bu bağıntı, F-mv = Ö olarak yazılabilir. Fi = -mî olduğu varsayılır. Fi, eylemsizlik kuvvetidir. Bağıntı F + Fi = Ö olarak gösterilir ve şöyle yorumlanabilir: Maddesel bir noktaya bağlı bir koor­dinat sisteminde (demek ki, bu sis­temde noktanın ivmesi sıfırdır) dina­miğin temel bağıntısı,mutlak sistem­deki ivmelerle hesaplanmış eylemsiz­lik kuvvetlerinin gerçek kuvvetlere eklenmesi koşuluyla uygulanmakta­dır.Birbirine koşut iki kuv­vet halinde, bileşke, kuvvetlere koşut­tur ve yönü, en büyük kuvvetin yönü­dür. İki kuvvetin etkime noktalarını birleştiren doğru üstünde bulunan bi­leşkenin uygulama noktası, iki kuvve­tin bu noktaya göre momentlerinin toplamı sıfır olacak biçimdedir. Şid­deti, bileşen kuvvetlerin aynı ya da ters yönde (Çiz. 2 ve Çiz. 3) olmasına göre, bunların şiddetlerinin toplamı­na ya da farkına eşittir. Özel olarak, iki koşut kuvvetin şiddetleri aynı, yön­leri tersse, bunlar bileşkelerinin sıfır olduğu bir kuvvet çifti oluştururlar.

Bir Kuvvetin İşi

Kuvvetin uygulama noktası yer değiş­tirdiğinde, kuvvet bir iş yapar. Kuv­vet bu yer değiştirme sırasında doğ­rultu ve şiddeti açısından sabit kalır­sa, yapılan iş, kuvvetin şiddetiyle, kuv­vetin doğrultusu üstündeki, uygulama noktasının çizdiği eğrinin izdüşümü­nün uzunluğunun çarpımına eşit olur. Böylelikle, h metre yükseklikten inen P newton ağırlığındaki bir cisim söz konusu olduğunda, ağırlık kuvvetinin işi W = Ph (joule) olur. D’Alembert ku­ramı, yani edimsiz (virtüel) iş kuramı, birçok statik ve dinamik sorunun çö­zülmesini sağlar. Sürtünmesiz bağlan­mış katilar sistemine uygulanan ey­lemsizlik kuvvetlerini de içeren, bütün kuvvetlerin yaptığı işlerin toplamı, bağlarla bağdaşan her edimsiz yer de­ğişimi (yani, katilar sistemindeki herolası yer değişimi) için sıfırdır.
Basit makineler (kaldıraç, makara, çıkrık, vb.), uygulama noktasının yer değişimi aracılığıyla oldukça zayıf bir kuvvet etki ettirerek belirli bir işin yapılmasını sağlarlar. İnsanın ve hayvanların kas kuvvetleriyse özel durumlarda kullanılır. Genelde, gazların ve buharların basınç kuvvetleri ve özellikle elektriksel yollarla üretilen kuvvetler kullanılmaktadır.