Bir Taşı Uzaya Fırlatabilir Misiniz?

Elinizdeki sıradan bir taşla deney yapalım. Arkadaşlarınızla aranızda kim daha uzağa atabilir diye bir yarış düzenlediğinizi düşünün. Belki de en kuvvetli olanın kazanacağını düşünüyorsunuz. Fakat burada güç kadar zeka da devrede. Çünkü taşı atarken kullanacağınız yöntem, belki de onu uçuracak en büyük güç olacak. Peki sıradan bir taş atmanın roket bilimi ile ne ilgisi var? İşin içine girince, taş atmanın bir roketin uzaya fırlatılmasıyla ne kadar çok ortak noktası olduğunu görebiliriz.

Her şeyin bir bilimi vardır ve evet, taş atmanın da bir bilimi var. İşte burada devreye fizik kanunları giriyor. Bir taşın havada nasıl ve ne kadar süreyle kalacağını ve nihayetinde ne kadar uzağa gideceğini belirleyen pek çok değişken var. İlk olarak, Taşın elden çıktığı zamanki ilk hızı taşın havada ne kadar süre kalacağını belirlediği gibi ne kadar uzağa gideceğini de belirler. Ancak önemli diğer faktör taşın hangi açı ile atıldığıdır. Zemine dik hayali bir çizgi ile zemin arasını eşit iki alana bölen 45 derecelik açı ile taş hem havada en uzun süre kalacaktır hem de en uzağa gidecektir.

Önemli bir diğer parametre de taşın elinizden çıktığı andaki zemine olan yüksekliğidir. Taşı en yukarıdan atabilen diğerlerine göre daha avantaj sağlayacaktır. Uzun boylu değilseniz biraz sıçrayarak veya daha yüksek bir zemine basarak avantaj elde edebilirsiniz. Yerden 2 metre yükseklikte elden çıkan bir taş 30 ile 45 derece aralığında bir açıyla atıldığında gidebileceği en uzak noktaya düşer. Bir başka deyişle yerden 45 derecenin biraz altında bir açıyla atmak en iyisi olacaktır.

Bu açı değerleri sürtünme kuvvetinin olmadığı varsıylarak hesaplandı. Dünyadaki atmosferden ve dolayısıyla hava sürtünmesinden dolayı hesaplanan uzaklığa gitmesi mümkün değil. Aynı taşı atmosferi olmayan bir yerde atsaydık, aynı ilk hız, aynı açı ve aynı yükseklikte daha uzağa giderdi. Dünya yüzeyinde hava moleküllerinin taşın yüzeyine uyguladığı sürtünme kuvveti nedeniyle taşımız yavaşlayacaktır.

Akışkanlar mekaniğinin temel araştırma konusu olan bir problem olduğu için detaya girmeden, kafanızı karıştırmadan şunu söyleyebilirim ki taşın etrafında gerçekten de ilginç şeyler oluyor. Futbol topuna vurulduğunda falso alması, baraj üzerinden döndürülerek bırakılan topun çok uzağa gidebiliyor olması ve hatta ve hatta aynı, hiç ileri doğru iten motoru olmamasına ve rüzgarı arkasına almamasına rağmen ileriye giden gemiler yapılabiliyor. Magnuz etkisinden faydalanmak için atılan taşı biraz da döndürürseniz havada daha uzun süre kalacak ve dolayısıyla daha da uzağa gidecektir. Kaleci vuruşuyla başlatılan futbol oyunlarında topun birden aşağıya doğru inişe geçtiğini fark etmediyseniz, şimdi edebilirsiniz. Topun dönüş yönü tam tersi olsaydı birden alçalmak yerine, daha da ileri gidecektir.

Söz konusu hava gibi bir ortamda ilerleyen cisimler olduğunda şeklin çok büyük bir etkisi var. Atılan bir taş değil, bir frizbi, crit ya da bumerang olsa hangisinin daha uzağa gideceğini ya da havada nasıl bir yol izleyeceğini tahmin edebilirsiniz.

Havanın etkisi çok karmaşık anladık, peki yeryüzünün eğikliği nasıl önemli olabiliyor? Kol gücüyle atılan taşın gittiği mesafe dünyanın çevresine göre çok küçük olduğu için dünyanın geoid eğikliğini ihmal edebiliriz. Ancak taş yerine bir füze gönderiliyorsa, ve füzenin kilometrelerce gittiği düşünüldüğünde dünyanın eğik yüzeyinin etkisi ölçülebilir seviyelere geliyor. Biz yine çok güçlü olduğumuzu ve taşı kilometrelerce uzağa atabileceğimizi düşünelim. Taş yere düşmeye çalışırken dünyanın eğikliği nedeniyle biraz daha ileriye gidebilir. Resmen dünya eğiliyor ve taşın hareket etmesi için alan açıyor. Peki taşı o daha da ileriye atabilseydik öyle bir noktaya gelirdi ki taş sürekli dünyaya düşmeye çalışıyor ancak dünya yüzeyi de aynı oranda sürekli eğildiği için taş bir türlü düşmüyor, sürekli dünyanın etrafında dönüyor. Yeryüzünden 400 km uzaklıkta bulunan uluslararası uzay istasyonu da tam olarak bu şekilde fırlatıldı. Yeterince hızlı ilerlediği için, ki uzayda hava sürtünmesi gibi hızını yavaşlatacak bir kuvvet de yok, dünyaya sürekli düşüyor, ancak dünyanın yüzeyi de sürekli eğildiği için bir türlü varamıyor.

Lisede öğrendiğimiz enerjinin korunumu yasasıyla sizin de hemen hesaplayabileceğiniz gibi 11.2 km/s ilk hızla fırlatılan her taş atmosfersiz bir dünyanın etrafında sonsuza kadar dönecektir. Ancak bu hız ses hızının 33 katıdır ve bu hıza çıkmak hiç de kolay değil. Uzaya gönderilen roketlerin ilk hızı 11.2 km/s olamadığı için yavaş yavaş hızlanarak dünyadan uzaklaşmaktadır.

Fizik, gündelik eylemlerimizden evrenin en karmaşık hareketlerine kadar her şeyi anlamamızı sağlar. Arkadaşlarınızla yaptığınız basit bir taş atma yarışması bile, aslında çok daha büyük ve daha karmaşık sistemlerin anlaşılması için temel prensipleri içerir. Gücünüz ne kadar yüksek olursa olsun, en uzağa taş atabilmek için doğru açı, uygun döndürme yönü ve yeterli bir yükseklik gereklidir. Bu bileşenlerin her biri, taşınızın havada ne kadar süre kalacağını ve ne kadar uzağa gideceğini belirler. Roket bilimi de benzer prensiplere dayanır. Yeterince yüksek bir hız ve doğru bir atış açısıyla, bir roket gerek dünya yörüngesine oturur gerek Dünya'nın çekim kuvvetini aşarak uzayın derinliklerine doğru yolculuğuna başlar. İster bir taşın arkasında duran bilimsel prensipler, isterse bir roketin evrene açılan kapıyı aralaması olsun, fizik bize dünyayı ve içinde yaşadığımız evreni keşfetme gücü verir. Bu yüzden, bir sonraki taş atışınızda gökyüzüne bakıp roketlerin göz kamaştırıcı yolculuğunu hayal etmek için bir an durun. Ve unutmayın, her bir atışınızda, aslında evrenin dili olan fizikle konuşuyorsunuz. Hoşça kalın ve keşfetmeye devam edin!