Klasik Mekaniğe Giriş: Klasik Mekanik Nedir? Newton Fiziği Hangi Konuları İnceler?

Klasik mekanik veya Newton fiziği, makroskobik boyutlardaki cisimlerin hareketleri, davranışları ve bu cisimler etkiyen kuvvetleri, hem deneysel hem de matematiksel olarak inceleyen ve araştıran fizik dalıdır. Klasik mekanik, bilim insanlarının sadece birkaç denklem kullanarak havada uçan bir topun hareketini ve bir mıknatısın çekimini tanımlayabilmesini ve Ay tutulmalarını tahmin edebilmelerini sağlamaktadır.

Klasik mekanik çoğu "normal" veya "klasik" nesnenin davranışlarını tam olarak açıklar. Bir nesnenin "normal" veya "klasik" kabul edilebilmesi için:

• bir molekülden büyük ve bir gezegenden daha küçük olması,
• oda sıcaklığına yakın olması ve
• ışık hızından önemli ölçüde düşük hızlarda hareket etmesi gerekmektedir.

Newton Etkisi: Eski Bilim, Yeni İsim

Klasik mekanik sıklıkla "Newton Mekaniği" veya "Newton Fiziği" olarak da isimlendirilir. Bunun sebebi, Newton'un klasik mekanik alanında son derece önemli çalışmalar yapmış olmasıdır. İngiliz fizikçi, matematikçi ve filozof Isaac Newton, 5 Temmuz 1687 tarihinde yayımladığı Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica (Tür: Doğal Felsefenin Matematiksel İlkeleri) adlı kitabıyla klasik mekaniğin temellerini atmıştır.

Wikipedia

Ayrıca Newton, bu kitabıyla birlikte kendi adıyla anılan evrensel kütle çekim yasasını ve üç hareket yasasını ortaya koymuştur. Newton'un hareket yasaları, hız, sürat, ivme, açısal ve çizgisel momentum, kinetik ve potansiyel enerji, enerjinin ve momentumun korunumu, tork, denge ve itme klasik mekaniğin incelediği konulardan bazılarıdır.

Ek olarak mekanik, fiziğin en eski branşı olmasına rağmen "klasik mekanik" terimi nispeten yenidir. 1900'lerden hemen sonra bir matematiksel devrimler serisi, yeni araştırma alanlarının doğmasına neden oldu: çok hızlı gerçekleşen olaylar ile ilgili olan göreli mekanik, çok küçük olaylarla ilgili olan kuantum mekaniği.

1900'lerden öncesinde denklemler, günlük hayatta karşılaşabildiğimiz hızlarda ve boyutlarda olan objeleri tanımlamak için her bakımdan uygundu. Ancak iki yeni branşın yanında var olan fiziğin bu eski branşının yeni bir isme ihtiyacı vardı. Klasik mekanik terimi, kuantum etkilerinin ve göreceli etkilerin önemsiz olduğu ölçeklerde gerçekliği tanımlayan denklem dizisini gevşek bir biçimde sınıflandırmak için yaratıldı.

Klasik Fiziğin Temel İlkeleri

Klasik mekaniğin çekirdeğini oluşturan bazı temel yasalar ve prensipleri şu şekilde sıralamak mümkündür:

• Newton'un Birinci Hareket Yasası: Dış bir kuvvet uygulanmadıkça, durmakta olan cisim durmaya, hareket etmekte olan cisim hareket etmeye devam eder.
• Newton'un İkinci Hareket Yasası: Bir cismin üzerine uygulanan net kuvvet, o cismin kütlesi ile ivmesinin çarpımına eşittir.
• Newton'un Üçüncü Hareket Yasası: Her hareket için, harekete zıt yönlü ve eşit büyüklükte bir tepki vardır.
• Newton'un Evrensel Çekim Yasası: İki obje arasındaki çekim kuvveti; objelerin kütleleri ile doğru, kütle merkezleri arasındaki mesafenin karesi ile ters orantılı olacaktır.
• Enerjinin Korunumu Yasası: Enerji yoktan var edilemez, vardan yok edilemez. Enerji, bir türden diğerine dönüşebilir. Örneğin: Mekanik enerjinin ısı enerjisine dönüşmesi.
• Momentum Korunumu Yasası: Sürtünme gibi dış kuvvetlerin yokluğunda, iki cisim çarpıştığında cisimlerin çarpışmasından önceki toplam momentum çarpışmadan sonraki toplam momentum ile aynı olacaktır.
• Bernoulli Prensibi: Sürekli bir akış gösteren akışkanın hidrostatik basıncı, akışkanın hızı ve yüksekliği ile zıt bir dengede olacaktır.

Ancak tüm bunları anlayabilmek için, öncelikle klasik mekaniğin (ve Evren'in çoğunun) kalbinde yatan kuvvet kavramını anlamamız gerekmektedir.

Kuvvet Nedir?

Kuvvet, fizikte belki de sezgisel olarak hem çok kolay anlaşılan hem de detaylarına girildiğinde pek de sanıldığı gibi olmadığı fark edilen bir olgudur. Hiç kuşkusuz hepimiz kuvveti tecrübe ederiz, fakat onu iyi tanımlamak oldukça önemlidir.

İnsanlar kuvveti birkaç kelimeyle tanımlamakta zorlanmazlar: Nihayetinde kuvvet, gündelik hayatta çok iyi tecrübe ettiğimiz bir kavramdır ve fiziğin birçok alanında karşımıza çıkar. Fakat tecrübe ettiğimiz kuvvet kavramı, fiziğin her alanında aynı şekilde değildir ve bu da genelde büyük bir yanılgıya neden olur. Bu nedenle öncelikle bizim tecrübe ettiğimiz kuvvetin ne olduğunu iyice anlamalıyız.

Jose Manuel Gonzalez Lupiañez Photography

Örneğin bir cismi ittiğinizde veya çektiğinizde ona bir kuvvet uygularsınız. Fakat kuvvet uygulamak illa ki o cismin hareket etmesini gerektirmez. Örneğin bir duvara kuvvet uygularsanız, duvar olduğu yerde duracaktır. O halde bu iki durumu birbirinden ayıracak bir tanımlama gereklidir. Bunun için net kuvvet (bileşke kuvvet) kavramına başvururuz. Bu net kuvvet dediğimiz, cismin üzerine etkiyen bütün kuvvetlerin toplamıdır.

Lise düzeyindeki problemlerin birçoğunda ihmal edilse de hiç kuşkusuz gerçek hayatın hemen her alanında sürtünme vardır. Eğer sürtünmesi çok yüksek bir cismi itmek istiyorsanız, o denli büyük bir kuvvet uygulamanız gerekir. Bu nedenle cisimleri az kuvvetle hareket ettirebilmek adına, altına sürtünmeyi azaltan, kayganlaştırıcı bir şey sürülebilir.

Farklı Kuvvetler Var mı? Kuvvet Türleri Nelerdir?

Newton'un hareket yasalarını anlamak için şu noktaya kadar gündelik örnekler verdik, bunları biraz çoğaltalım. Örneğin bir yayı gerdirmek, havaya sıçramak, duvarı itmek, topa vurmak... Bunların ortak noktası nedir? Hemen fark edilmeyebilir, fakat tüm bunların ortak noktası bir temas gerektirmesidir. Bu nedenle bunlara temas kuvvetleri (değme kuvvetleri) de denir.

Evrende bir de bu şekilde "temas" olarak nitelendiremeyeceğimiz, ama yine kuvvet gibi sonuçları olan, etkileşimler vardır. Bunlara "etkileşim" demek mümkündür; fakat fizikte bunlara geleneksel bir şekilde alan kuvvetleri denmektedir.

Örneğin Ay'ın Dünya etrafındaki dolanma hareketi kütle çekim kuvveti nedeniyle olur. Aslında arada boş uzaydan başka hiçbir şey yoktur. Bu, gündelik hayattaki temas kuvveti algımızdan biraz farklıdır. Gerçi moleküler seviyeye indiğimizde aslında hiçbir cismin birbirine değemediğini görmekteyiz. Örneğin bir duvarı ittiğimizde de gerçekleşen şey, elimizdeki moleküllerin duvardaki molekülleri itmesidir ve bu da herhangi bir temas ile değil, nihayetinde "elektromanyetik alan" denen özel bir alan aracılığıyla olur.

Alanları daha kolay anlamak için mıknatısları düşünebilirsiniz: İki mıknatıs alıp, aynı kutbu bir araya getirirseniz, birbirlerine değmemelerine rağmen kuvvetli bir itme hissedersiniz. Yaklaştıkça bu kuvvet daha da artar. Hele ki neodimyum mıknatıs gibi güçlü bir mıknatıs varsa, bu mıknatısları bir araya getirmek neredeyse imkansızdır. Ama arada hiçbir şey yoktur!

İşte alanlar böyle çalışır: Görmesek de orada bir manyetik alan vardır ve bunlar birbiri ile etkileşir. Bir diğer örnek de yüklü parçacıkların birbirlerini çekmeleri ve itmeleridir. Bu noktada vektörel alan kavramını hatırlamanızda fayda var. Artık Newton hareket yasalarını tanımlayabiliriz.

Newton'un Hareket Yasaları Nelerdir?

Klasik mekanikte Newton'un hareket yasaları, cisimlerin hareketleri ile bu cisimlere etki eden kuvvetler arasındaki ilişkiyi açıklayan temel fizik yasalarıdır. Bu yasalar ilk kez Isaac Newton tarafından 5 Temmuz 1687 tarihinde yayımlanan Doğal Felsefenin Matematiksel İlkeleri kitabında ortaya konmuştur.

Newton hareket yasaları (ya da Newton'un hareket yasaları) klasik mekaniğin temelini oluşturur ve üç ayrı yasadan oluşur. Bunlar zaman içerisinde bazı ufak tanımsal değişikliklere uğramış olsa da ana prensip aynıdır. Bu nedenle biraz farklı tanımlar görebilirsiniz; lakin hepsi aynı olguyu tanımlamakta, sadece teknik açıdan daha doğru şekilde ifade etmeye çalışmaktadır. O nedenle aradaki tanım farklılıklarına dikkat edip, nedenlerini düşünmenizi öneririz.

Newton'un Birinci Hareket Yasası: Eylemsizlik Prensibi

Newton'un birinci hareket yasası, cisme uygulanan net kuvvetin sıfır olduğu durumlarda, bu cismin hareket durumunun değişmeyeceğini söyler. Kısaca, cismin mevcut eylemini koruma eğilimi olarak da ifade edebiliriz. Newton'un birinci yasası sıklıkla "eylemsizlik prensibi" olarak da isimlendirilir. Bu yasa, genellikle şu şekilde tanımlanır:

Bir cisme dış dengelenmemiş kuvvetler etki etmediği sürece bu cisim hareket durumunu (durağanlık veya sabit hızlı hareket) korur.

Bir diğer tanımı ise şöyle yapılabilir:

Eylemsiz bir referans sisteminde, cisme bir kuvvet etki etmediği sürece; eğer cisim duruyorsa durmaya, sabit hızla hareket ediyorsa, sabit hızla aynı hareketine devam eder.

Tanımlar bazen zorlayıcı olabilmektedir. Onları daha kusursuz hale getirmek için kullandığımız teknik ifadeler, başlangıçta sizi yorabilir. Fakat bunları anlamak kolaydır ve doğru anlamak açısından da bir o kadar önemlidir. Öncelikle "eylemsiz referans sistemi"nin ne olduğunu anlamak gerekir: Klasik mekanikte eylemsiz referans sistemi, ivmelenme etkisi altında olmayan referans sistemlerine (kabaca koordinatlara) verdiğimiz isimdir. Dolayısıyla bu bize, Newton'un birinci hareket yasasının, ivmenin olmadığı durumlarda tanımlı olduğunu söyler. Çünkü yasa, eylemsiz bir referans sisteminde tanımlıdır. Tam olarak bu nedenle, bu Newton hareket yasası için aynı zamanda eylemsizlik yasası da denir.

Basitleştirilmiş bir şekilde bir cisme etki eden net kuvvet, bu cisme uygulanan kuvvetlerin vektörel toplamıyla bulunur. Bu toplam sıfır ise, Newton'un birinci hareket yasası gereğince cismin hareket durumunda bir değişiklik olmaz. Yani aslında burada iki farklı durum oluşuyor:

• Hareket etmeyen bir cisme net kuvvet etki etmediği sürece bu cisim hareket etmeyecektir.
• Sabit hızlı hareket eden bir cisme net kuvvet etki etmediği sürece bu cismin hızında bir değişme olmaz. Yani cismin ivmesi sıfır olur.

Newton'un İkinci Hareket Yasası: Dinamiğin Temel Prensibi

Newton'un ikinci hareket yasası, eylemsiz bir referans sisteminde bir cisme uygulanan net kuvvetin, bu cismin çizgisel momentumunun zamana göre değişimiyle orantılı olduğunu söyler. Resmi bir tanımı şu şekilde de yapılabilir:

Eylemsiz bir referans sisteminde, cisim üzerine etki eden $F$ kuvvetlerinin vektörel toplamı, cismin kütlesi ($m$) ile cismin ivmelenmesinin ($a$) çarpımı kadardır.

Yani bu yasa, Newton yasaları arasındaki en meşhuru olan $F=ma$ formülüyle özetlenen yasadır. Daha kaba bir tabirle, cisme etki eden net kuvvetin sıfırdan farklı olması durumunda, cismin kütlesiyle ilişkili olarak ivmeleneceğini söyler. Burada kütlenin sabit olarak kabul edilmesi önemlidir. Çünkü bu eşitliği, momentumun zamana göre türevinden elde ederiz. Newton'un ikinci yasasını şu şekilde de ifade edebilirdik:

Bir cismin momentumundaki değişim miktarı, ona uygulanan kuvvetle doğru orantılıdır ve momentumdaki değişim, uygulanan kuvvetle aynı yönlüdür.

Kuvvet ($F$), momentum ($p$) ve ivmenin ($a$) birer vektör ve burada bir değişken olduğunu, ayrıca kütlenin ($m$) bir skaler ve burada bir sabit olduğunu hatırlayın. Bu durumda yukarıda anlattıklarımızın matematiksel ifadesi aşağıdaki gibi olur:

$F_{net}=\frac{d(p)}{dt}=\frac{d(mv)}{dt}$

Bu denklemdeki $F_{net}$ net kuvveti, $m$ kütleyi, $v$ cismin hızını, $t$ ise aradan geçen zamanı belirtir. Klasik mekanikte bir cismin kütlesiyle hızının çarpımı, "momentum" olarak tanımlanmıştır. Yani bu denklem sabit kütleli sistemlerde kuvvet ile momentum arasındaki ilişkiyi açıklar.

Sabit kütleli sistemlerde cisme etki eden net kuvvet sıfırsa bu sistemin momentumu değişmez. Ancak değişken kütleli sistemlerde sisteme giren veya çıkan herhangi miktardaki kütle, net kuvvet etkisi sonucu olmaksızın sistemin momentumu değiştirecektir, ki bu durum ikinci yasaya aykırıdır. Böyle durumlarda eşitlik geçersizdir.

Sabit kütleli sistemlerde yukarıdaki denklem daha basit ve bilinen bir formda yazılabilir:

$F=ma$

Bu denklemdeki $F$ kuvvet vektörünü, $m$ kütleyi, $a$ ise cismin ivmesini gösterir. $F=ma$denklemini $a=\frac{F}{m}$ şeklinde çevirebiliriz ve dolayısıyla sözlü olarak "Bir cismin ivmesi, cisme uygulanan kuvvet ile doğru, cismin kütlesiyle ters orantılıdır." şeklinde de ifade edebiliriz.

Newton'un Üçüncü Hareket Yasası: Etki-Tepki Yasası

Eğer bir cisim, ikinci bir cisme kuvvet uyguluyorsa, aynı anda ikinci cisim de birinci cisme eşit büyüklükte, zıt yönlü bir kuvvet uygular.

Etki-tepki yasası olarak da bilinen Newton'un üçüncü hareket yasası, iki cisim arasındaki kuvvetlerin eşit büyüklükte ve zıt yönlü olduklarını ifade eder. Örneğin bir $\text{B}$ cismi $\text{C}$ cismine $F_B$ kuvveti uygularsa $\text{C}$ cismi de $\text{B}$ cismine $F_C$ kuvveti uygular. Uygulanan bu kuvvetler aynı doğrultu üzerinde yer alır. Bu durumda $F_B=-F_C$ olur.

Ancak cisimlerin kütleleri farklıysa, uygulanan kuvvetler eşit olsa da, ivmelenmeler eşit olmayacaktır. Çünkü Newton'un ikinci yasasına göre ivme, kütleyle ters orantılıdır. Yani kütlesi büyük olan cisimler, kütlesi az olan cisimlere kıyasla daha az ivmelenecektir. Örneğin; kütlesi 150 kg olan bir $\text{A}$ cisminin, kütlesi 100 kg olan $\text{B}$ cismine 120 Newton kuvvet uyguladığını varsayalım. Bu durumda $\text{A}$ cismi $0.8$ $m/s{n}^2$ ivme kazanacaktır. $\text{B}$ cismi ise $1.2$ $m/s{n}^2$ ivme kazanacaktır. Yani son durumda $\text{B}$ cismi $\text{A}$ cisminden 0.5 kat daha fazla ivme kazandı.

Newton üçüncü yasasını, momentumun korunumunu türetmek için kullanmıştır; lakin momentumun korunumu bu yasayı temel almaz. Galilean invaryansı altında Noether teoremi kullanılarak türetilir ve Newton'un üçüncü yasasının geçersiz olduğu bazı durumlarda dahi geçerlidir. Bu durumlar için şu anda endişelenmemiz gerek yok; çünkü bunlar daha ziyade alanlarla ve kuantum mekaniği ile ilgilenmeye başladığımızda ortaya çıkar. Şu anda genel fizikle (mekanikle) ilgileniyoruz. Fakat Newton hareket yasalarının kapsamlarını bilmekte yarar var.

Newton'un Hareket Yasalarının İşlemediği Durumlar

Newton hareket yasaları, gündelik hayatta tecrübe ettiğimiz olayları gerçekleştiren makroskopik boyuttaki cisimlerde oldukça tutarlıdır. Fakat ne yazık ki bunlar "evrensel" olarak her şeye uygulanabilir değillerdir, bu nedenle Newton "yasalarına" evrensel birer "kanun" gözüyle bakmaktan ziyade "iyi bir yaklaşım/yakısama" gözüyle bakmak gerekir.

Özellikle yüksek hızlara çıkıldığında (ışık hızına yakın hızlar), çok güçlü kütle çekimsel alanlarda (bir kara deliğin yakınlarında) ve çok küçük ölçeklerde (atomik ölçeklerde) Newton hareket yasalarını kullanmak uygun değildir. Dolayısıyla Newton hareket yasaları süperiletkenlik, GPS sistemlerinde hata düzeltmeler, yakın yörüngelerdeki hatalar, yarıiletkenlerdeki elektrik gibi konularda kullanılamaz. Bunlar için kuantum alanlar teorisi ve genel görelilik teorisi gibi daha kapsamlı teoriler gerekir.

Günümüzde Newton "yasaları" geleneksel olarak "yasa" olarak anılsalar da, bilim felsefesi bakımından daha ziyade "Newton'un Hareket Teorisi" altında kategorize edilmektedirler.

Klasik Fizikteki Diğer Önemli Kavramlar

Skaler Büyüklükler vs. Vektörel Büyüklükler

Fizik biliminde yönüne göre fiziksel büyüklükler "skaler" ve "vektörel" olmak üzere ikiye ayrılırlar. Skaler büyüklükler, sadece şiddeti olan büyüklüklerdir. Bu büyüklüklerden bazıları sürat, enerji, kütle, ışık şiddeti, elektrik akımı, madde miktarı, hacim, gerilim ve sıcaklık şeklinde sıralayabiliriz. Örneğin "3 kilo patates" dediğimizde, sadece kütlenin miktarından söz ederiz ve herhangi bir yönü kastetmeyiz. Öte yandan vektörel büyüklükler ise hem şiddeti hem de yönü olan büyüklüklerdir. Bunlardan bazılarını, hız, ivme, yer çekimi, ağırlık, kuvvet ve yer değiştirme şeklinde sıralayabiliriz. Örneğin "3 kilo patates yere 30 Newton kuvvet uyguluyor." dediğimizde söz ettiğimiz kuvvetin sadece bir şiddeti ("30 Newton") yoktur, aynı zamanda bir yönü de vardır ("yere doğru").

Hız Nedir?

Kinematikte hız, hareket eden cisimlerin yer değiştirme vektörünün zamana göre değişimidir. Yer değiştirme vektörel bir büyüklük olduğundan dolayı hız da vektörel bir büyüklüktür. Fizikte hız, $v$ ile gösterilir. Hızın birimi ise m/sn'dir. Hız, matematiksel olarak şu şekilde ifade edilir:

$v=\frac{\Delta x}{\Delta t}$

Bu denklemdeki $v$ hızı, $\Delta x$ yer değiştirme vektörünü, $\Delta t$ ise aradan geçen zamanı gösterir. Ayrıca hız vektörel bir büyüklük olduğundan dolayı artı ya da eksi işaretli olabilir.

Sürat Nedir?

Sürat ise hareketli cisimlerin birim zamanda aldıkları yol miktarıdır. Alınan yol,skaler olduğundan dolayı sürat de skalerdir, yönü yoktur. Tıpkı hız gibi süratin de birimi m/sn'dir.

Süratin matematiksel formülü ise şu şekildedir:

$v=\frac{d}{\Delta t}$

​Bu formüldeki $v$ sürati, $d$ alınan yolu, $\Delta t$ ise aradan geçen zamanı gösterir. Burada v harfinin üzerinde ok işareti olmadığına dikkat edin. Bu süratin vektörel bir büyüklük olmadığını gösterir. Süratin SI (Uluslararası Birimler Sistemi) birimi metre/saniyedir. Ancak bazı durumlarda kilometre/saat cinisinden de ifade edilebilir.

Yani süratle hız arasındaki farkları şu şekilde sıralayabiliriz:

• Hız, vektörel bir büyüklük iken sürat, skaler bir büyüklüktür.
• Hız, eksi değerler alabilirken, sürat eksi değerler alamaz.
• Sürat hesaplanırken alınan yol esas alınır. Ancak hız hesaplanırken ise cismin yer değiştirme miktarı esas alınır.

İvme Nedir?

İvme ise hız vektörünün zamana göre değişimidir. Hız değişimi vektörel bir büyüklük olduğundan dolayı ivme de vektörel bir büyüklüktür. İvmenin SI birimi m/sn²dir, ve $a$ ile gösterilir. Matematiksel olarak ivme, şu şekilde gösterilir:

$a=\frac{\Delta v}{\Delta t}$

Bu denklemdeki $a$ ivmeyi, $\Delta v$ hız değişimini, $\Delta t$ ise aradan geçen zamanı temsil eder. İvmenin sıfır olması hızın sıfır olduğu anlamına gelmez. Çünkü eğer cismin hızında bir değişim olmazsa ivmesi sıfır olur. Ayrıca ivme vektörel olduğundan dolayı artı ya da eksi değerler alabilir. İvmenin artı yönlü olması cismin hızlandığını, eksi yönlü olması da yavaşladığını gösterir.

Kinetik Enerji Nedir?

Fizik biliminde kinetik enerji, hareket eden cisimlerin hareketinden ötürü sahip oldukları enerjidir. Enerjinin SI birimi Joule (J) olduğundan dolayı kinetik enerjinin de birimi Joule'dür. Matematiksel olarak kinetik enerji şu şekilde gösterilir:

$KE=\frac{1}{2}m{v}^2$

Bu formüldeki $m$ cismin kütlesini $v^2$ ise cismin hızının karesidir. Bu denklemden de anlaşılacağı üzere kinetik enerji bir cismin kütlesi ve hızıyla doğru orantılıdır. Örneğin kütlesi 2000 kilogram, hızı 12 m/sn olan bir cismin kinetik enerjisi şöyle hesaplanır:

$KE=\frac{1}{2}2000kg\ast (12m/sn{)}^2=144000J=144kJ$

Yukarıdaki işlemlerden cevap 144000 Joule yani 144 kJ olacaktır.

Potansiyel Enerji Nedir?

Fizik biliminde potansiyel enerji, bir cismin ya da sistemin konumundan dolayı sahip olduğu enerji türüdür. Mesela bir cisim hareket etmediği halde sadece konumundan dolayı iş yapabiliyorsa potansiyel enerjisi vardır diyebiliriz. Örneğin; yükseğe kaldırılan bir cisim, barajlarda biriken su, sıkıştırılan yay potansiyel enerjiye sahiptir. Potansiyel enerjinin SI birimi ise Joule'dür.

TDK'ye (Türk Dil Kurumu) göre potansiyel kelimesi gizli kalmış, henüz varlığı ortaya çıkmamış anlamlarında kullanılmaktadır. Potansiyel enerji terimi ilk kez İskoç fizikçi ve mühendis William Rankine tarafından kullanılmıştır. Potansiyel kelimesi etimolojik olarak Fransızcadaki "Potentiel" kelimesinden gelmektedir.

Kütle Çekimi Potansiyel Enerjisi Nedir?

Potansiyel enerji çeşitlerinden birisi olan kütleçekimi potansiyel enerjisi, bir cismin, başka bir cismin (Güneş ve Dünya gibi büyük kütleli cisimler) kütle çekimi etkisi altında kazandığı enerjiye denir. Kütle çekimi potansiyel enerjisi, yer çekimi ivmesi ile doğru orantılıdır. Dünya için yer çekimi ivmesi yaklaşık 9,81 m/sn²dir. Kütleçekimi potansiyel enerjisinin matematiksel formülü şu şekildedir:

$PE=mgh$

Bu denklemdeki $\text{m}$ cismin kütlesini, $\text{g}$ yer çekimi ivmesini, $\text{h}$ ise yüksekliği gösterir. Yani yer çekimi potansiyel enerjisi cismin kütlesi ve yüksekliğiyle doğru orantılıdır. Örneğin kütlesi 250 kg olan bir metal blok, vinç yardımıyla 30 metre yükseğe çıkarılırsa, bu metal bloğun potansiyel enerjisi şöyle hesaplanır:

$PE=250kg\ast (9.81m/s{n}^2)\ast 30=73575J=73.575kJ$

Esneklik Potansiyel Enerjisi Nedir?

​Fizik biliminde esneklik potansiyel enerjisi, esnek cisimlerin (örneğin; yay) sahip olduğu enerjidir. Bir yay sıkıştırıldığı zaman potansiyel enerji depolar. Yay serbest bırakıldığı zaman bu potansiyel enerji, kinetik enerjiye dönüşür. Yayda Hooke Yasası gereği, biriken potansiyel enerji, şu formülle hesaplanır:

$PE=\frac{1}{2}k{x}^2$

Bu denklemdeki k yay sabitini $x^2$ ise yayın uzama miktarının karesini temsil eder. Yani esneklik potansiyel enerjisi yayın uzama miktarı ile doğru orantılıdır. Esneklik potansiyel enerjisinin birimi, tıpkı diğer enerji türlerinde de olduğu gibi Joule'dür.

Kütle Çekimi Nedir?

Fizik biliminde yer çekimi, Dünya üzerindeki cisimlerin yere yani Dünya'ya düşme eğilimidir. Kütle çekimi ise uzay içinde bulunan iki cismin birbirine doğru hareket etme eğilimidir. Aslında yer çekimi dediğimiz şey, kütle çekim yasasının Dünya özelindeki ismidir. Dolayısıyla bilimsel açıdan "yer çekimi" ve "kütle çekimi" kavramları arasında herhangi bir fark yoktur. İkisi de aynı şeyi ifade eder. Fakat yer çekimi kavramı daha çok "yer" (Dünya) ile sınırlı olduğu için genellikle kütle çekimi kavramı kullanılır.

Kütle çekimi evrendeki 4 temel kuvvetten birisidir. Bu 4 temel kuvvet, Güçlü (yeğin) nükleer kuvvet, zayıf nükleer kuvvet, elektromanyetik kuvvet ve kütle çekim kuvvetidir. Bu kuvvetler arasından kütle çekimi, menzili en yüksek olan kuvvettir, çünkü tüm evreni kapsar. Fakat buna karşın en zayıf kuvvet de kütle çekim kuvvetidir. Kütle çekimi, güçlü nükleer kuvvetten 10³⁸ kat, elektromanyetik kuvvetten 10³⁶ kat, zayıf nükleer kuvvetten ise 10²⁹ kat daha zayıftır.

Kütle çekimi evrendeki en zayıf temel kuvvet olduğundan dolayı atom altı parçacıklara etkisi yok denecek kadar azdır. Ancak büyük ölçeklerdeki cisimler arası etkileşimlerin neredeyse tamamından sorumludur. Örneğin; Dünya üzerinde ağırlık hissetmemizin nedeni yer çekimi kuvvetidir. Çünkü en nihayetinde ağırlık dediğimiz kavram, cismin kütlesiyle yer çekimi ivmesinin çarpımına eşittir. Veya Dünya'nın Güneş'in etrafında dönmesinin sebebi Dünya ile Güneş arasındaki kütle çekim kuvvetidir.

Isaac Newton'un geliştirdiği Kütle çekim teorisi cisimlerin birbirine uyguladıkları kütle çekim kuvvetinin, cisimlerin kütleleri ile doğru, bu cisimler arasındaki mesafenin karesi ile ters orantılı olduğunu ifade eder. Newton'un kütle çekimi teorisinin matematiksel formülü şudur:

$F_g=G\frac{m_1{m}_2}{d^2}$

Bu denklemdeki $F_g$ kütle çekim kuvvetini, $\text{G}$ kütle çekimi sabitini, $m_1$ ve $m_2$ cisimlerin kütleleri, $d^2$ ise cisimlerin arasındaki mesafenin karesini gösterir. Kütle çekimi sabiti, kütle çekimi hesaplarında kullandığımız sabitlerden birisidir. Bu sabitin matematiksel değeri yaklaşık $6.674\times 10^{-11}N(m/kg{)}^2$dir. Ters kare yasası gereği tıpkı ısı ve radyasyon gibi kütle çekim kuvveti de mesafenin karesiyle ters orantılı biçimde azalmaktadır. Mesela iki cisim arasındaki mesafe 2 katına çıkarılırsa, kütle çekimi 4 kat azalacaktır. Burada şunu vurgulamakta fayda var: Her ne kadar kütle çekim kuvveti uzaklığın karesiyle ters orantılı olsa da kütle çekim kuvveti asla sıfır (0) değerini alamaz.Diğer bir deyişle Dünya'nın kütle çekimi, Dünya'dan yüz milyarlarca kilometre ötede dahi etki etmektedir.

Çizgisel Momentum Nedir?

Klasik mekanikte çizgisel momentum ya da devinirlik, bir nesnenin kütlesiyle hızının çarpımına eşittir. Matematiksel olarak $p=mv$ formülüyle ifade edilmektedir. Hız gibi çizgisel momentum da vektörel bir büyüklüktür, yani hem şiddeti hem de yönü vardır. SI birimi ise kg*m/sn'dir. Örneğin; kütlesi 1200 kg, hızı 20m/sn olan bir cismin çizgisel momentumu 24000 kg*m/sn'dir.

Çizgisel momentum, korunumlu bir niceliktir. Newton'un hareket yasaları bölümünde de ifade ettiğimiz üzere, kapalı bir sistem herhangi bir dış kuvvet etkisi altında değilse, sistemin momentumunda sabit kalır. Bu durum klasik mekanikte "çizgisel momentumun korunumu" olarak adlandırılır.

Açısal Momentum Nedir?

Klasik mekanikte açısal momentum, herhangi bir cismin dönüş hareketine devam etmek istemesinin bir göstergesidir. Bu büyüklük yani nicelik, bir cismin şekline, hızına ve kütlesine bağlıdır. Açısal momentumun birimi kgm²/sn'dir. Çizgisel momentum gibi açısal momentum da vektörel bir büyüklüktür, ve cismin belirli eksenlerde sahip olduğunu dönüş hızı ve dönüş eylemsizliğini ifade eder.

$L$ açısal momentumu, $P$ doğrusal yani çizgisel momentumu, $r$ yarıçapı, $m$ kütleyi, $\omega$ açısal hızı,$v$ hızı ve $I$ eylemsizliği belirtmek üzere, bir cismin açısal momentumu aşağıdaki formüllerle hesaplanabilir:

$L=P\times r$

$L=m\times v\times r$

$L=m\times \omega \times r^2$

$L=I\times \omega$

Örneğin sürtünmelerin önemsiz olduğu yatay düzlemde 30 kg kütleli bir cisim 8 metre yarıçaplı bir yörüngede düzgün çembersel hareket yapıyorsa ve cismin çizgisel sürati 50 m/sn ise, bu cismin açısal momentumu şöyle hesaplanır:

$L=m\cdot v\cdot r$

Yukarıdaki formülde $\text{m}$ cismin kütlesini, $\text{v}$ hızını, $\text{r}$ ise yarıçapı belirtmektedir. Bu durumda:

$L=m\cdot v\cdot r=30kg\cdot 50m/sn\cdot 8=12000kg{m}^2/sn$

Mekanik Enerjinin Korunumu Nedir?

Fizik biliminde mekanik enerji, mekanik bir sistemdeki kinetik ve potansiyel enerjinin toplamına eşittir. Yani mekanik enerji doğrudan cismin konumu ve hızıyla ilgilidir. Sürtünmenin olmadığı bir ortamda cisme yalnızca yer çekimi kuvveti gibi konservatif bir kuvvet etki ediyorsa, cismin mekanik enerjisi sabit olacaktır. Bu olguya "mekanik enerjinin korunumu" denmektedir.

Ancak bu durum, sürtünme kuvvetinin olmadığı durumlarda geçerlidir. Eğer sistemde sürtünme kuvveti gibi konservatif olmayan bir kuvvet varsa, mekanik enerji korunmaz. Çünkü sürtünmenin olduğu sistemlerde mekanik enerji, iç enerjiye dönüşür. Bu da sistemin sıcaklığını artırır.

Mekanik enerjinin korunumu matematiksel olarak şu şekilde gösterebiliriz:

$E_{mekanik}=PE+KE$

Bu denklemdeki E_mekanik , mekanik enerjiyi, PE potansiyel enerjiyi, KE ise kinetik enerjiyi belirtir. Yani bir sistemin mekanik enerjisi, kinetik enerji ile potansiyel enerjinin toplamına eşittir.

Fizik Tarihi: Klasik Fiziğin Fizikteki Yeri Nedir?

Fizik (Yun: "φυσικη"), maddelerin hareketlerini, davranışlarını ve enerji ile olan etkileşimlerini deneye ve gözleme dayalı olarak inceleyen ve araştıran bilim dalıdır. Bu tanımı biraz daha açmak gerekirse fizik bilimi; kuarklar, leptonlar ve bozonlar gibi temel parçacıklardan galaksi süperkümelerine kadar çok geniş bir yelpazede birçok fenomeni inceler - ki bu nedenden ötürü fizik, en temel bilimsel disiplinlerden birisi olarak kabul edilir.

Ayrıca fizik alanındaki gelişmeler, büyük teknolojik gelişmelere neden olur. Örneğin; elektromanyetizma ve nükleer fizikteki gelişmeler, televizyonlar, bilgisayarlar, telefonlar, elektrikli ev eşyaları ve tomografi cihazları gibi ürünlerin; termodinamikteki gelişmeler ise motolu taşıtların gelişmesine neden olmuştur.

Günümüzde fiziğin araştırma alanlarını kabaca yoğun madde fiziği, katı hal fiziği, atom fiziği, parçacık fiziği, optik, nükleer fizik, elektromanyetizma, termodinamik ve klasik mekanik şeklinde sıralayabiliriz.

Antik Zamanlardan Orta Çağa

Mezopotamya, Mısır ve İndus Vadisi'nin antik medeniyetlerinin tümü Ay'ın, Güneş'in ve yıldızların hareketlerinin anlaşıldığını ortaya koydu. Hatta milattan önce 18. yüzyıldaki tutulmaların tarihlerini tahmin edebiliyorlardı. E. C. Krupp, "Antik Göklerin Yankıları" kitabında, "Yıldızlar ve gezegenler sıklıkla tapınılan hedeflerdi, onların tanrıları temsil ettiğine inanılıyordu." şeklinde anlatmıştır. Bunun gibi doğaüstü açıklama örnekleri, tanım gereği, kanıtlardan yoksundu; ancak gözlem kayıtları, gözlemcilere yardımcı olacak biçimde, kuşaklar boyunca dikkatlice saklandı. Böylece gökyüzü cisimlerinin mekaniği, cisimlerin gökyüzünde nasıl hareket ettiği üzerine çalışılan bir alan haline geldi.

İlk olarak antik Yunanlılar, doğaüstü açıklamaların aksine, istikrarlı bir biçimde doğal açıklamalar aradılar. Charles Singer "19. Yüzyıla Kadar Bilimin Kısa Bir Tarihi" kitabında, şöyle açıklıyor:

Tales (M.Ö 624- M.Ö. 545) gibi filozoflar doğa olayları için yapılan doğal olmayan açıklamaları reddetti ve her olayın doğal bir nedeni olduğunu söyledi.

Örneğin "bedensel mizahlar" ve "Dünyayı çevreleyen kozmik kabuklar" gibi sayısız açıklama gerçekten natüralistti, ancak çoğu, son derece yanlıştı.

Yaklaşık 2000 yıl boyunca Aristo'nun çalışmalarına dayanan, hareketle ilgili kuvvetli bir dizi yanlış fikir oluşturuldu. "İvme Teorisi" olarak adlandırılan bu çalışma, M.S. 6., 12., ve 14. yüzyıllarda önemli ölçüde yeniden gözden geçirilecekti. Böylece yeryüzü mekaniği, nesnelerin Dünya yüzeyinde nasıl hareket ettiğini ve etkileştiğini inceleyen bir çalışma alanı oldu.

Rönesans

16 . yüzyılda bilim insanları, ivme teorisinin özellikle toplardan ve mancınıklardan fırlatılması gibi birçok fenomeni açıklamakta yetersiz kaldığını fark etmeye başladılar. Teoriye göre, fırlatılan mermi itici gücü bitene kadar havada uçmalı ve sonrasında doğrudan yere düşmeliydi. Gerçekte merminin yolu spesifik bir kavis çiziyordu.

Bernard Cohen'in "Yeni Fiziğin Doğuşu" kitabına göre bilim insanları, yapılan bu gözlemleri anlamlandırmak için yerçekiminin düzgün ivmelenme ile nesneleri çekmesi hakkında düşünmeye başladılar. 1638 tarihli "İki Yeni Bilimle İlgili Diyaloglar" adlı yayınında Galileo Galilei (1564-1642), tekdüze hızlanmanın mermilerin gözlemlerle eşleşen parabolik yörüngelerde hareket etmesine neden olacağına dair ilk matematiksel kanıtı yayımladı ve bu sayede yeryüzü mekaniğinin matematik tarafından kontrol edildiğini gösterdi.

16 . yüzyılda da benzer şekilde, gök cisimleri mekaniğinin matematik ile oldukça güçlü bağları olduğu gösterildi. Davis S. Landes'in "Zamanda Devrim" kitabına göre Tycho Brahe (1546-1601), gök cisimlerinin hareketini izleyebilmek için kadranlar ve sekstanlar ile birlikte dakika ve saniyeleri sayabilen saatler kullanan ilk astronomlardan biriydi (denizci dürbünü henüz ilk teleskoplara dönüştürülmemişti). Johannes Kepler (1571-1630), Brahe'nin Mars'ın hareketi için olan verilerinin üstüne gezegen hareketleri ile ilgili 3 yasasını oluşturdu. Bu yasalardan ilki, 1609'da yayımladığı "Astronomia Nova" adlı çalışmasında, gezegenlerin Güneş'in etrafındaki eliptik yörüngelerde hareket ettiğini gösterdi.

Büyük Birleşme

70 yıl sonra Newton, gökyüzündeki eliptik hareketlerin ve yeryüzündeki parabolik hareketlerin tek ve zarif bir matematiksel yasayla açıklanabileceğini göstermek için Galileo ve Kepler'in çalışmalarının üzerine Evrensel Çekim Yasası'nı inşa etti. Ek olarak, hareket yasalarını matematiğin dili ile tanımlanabilecek şekilde formüle etti.

Bilim insanları, Newton'un yasalarını kullanarak ve yine icadında Newton'un da yer aldığı cebir ve kalkülüs ile birlikte sembolik matematiği, henüz gözlemleyemedikleri fenomenleri gözlemlemek için kullanmaya başladılar. Klasik mekanik 18. ve 19. yüzyıllar boyunca optikten, akışkanlardan ve ısıdan; basınca, elektrik ve manyetizmaya kadar her şeyi tanımlamak için gelişti.

Ta ki... Newton'un açıklamalarının da bir sınırı olduğu görülene dek. Sonradan anlaşıldı ki Newton'un "Evrensel Çekim Yasası", aslında Evren'in doğasını doğru bir şekilde açıklayamıyordu; sadece bir yakınsamadan ibaretti. Newton, uzay ve zamanı birbirinden ayrı olgular olarak tanımlamıştı; bu, yanlıştı. Newton, zamanı mutlak olarak almıştı; bu, yanlıştı. Yani Newton'un açıklamaları, bir yasa değil, modern zamanlarda anladığımız tabiriyle, çok güçlü birer bilimsel teori idi. Ancak gerçeği tam olarak izah etme gücünden yoksundu.

Bunu nihai olarak gösteren kişi, Albert Einstein oldu. Genel Görelilik Teorisi ve Özel Görelilik Teorisi olarak ikiye ayrılabilecek izafiyet teorilerinde, uzay ve zamanın tek bir bütünlük olduğunu, zamanın mutlak değil göreli olduğunu, ışık hızınınsa diğer cisimlerden farklı olarak, vakum içerisinde sabit olduğunu gösterdi. Bu teori, zamanın ve bilimin her türlü sınavını başarıyla geçmeyi başardı ve Newton'un tüm izah ettiklerini açıklamakla kalmayıp, izah edemediği olguları da başarıyla açıkladı.

Ta ki... Einstein'ın teorilerinin de bir sınırı olduğu görülene dek... Günümüzde izafiyet teorilerinden bile kapsamlı bir açıklama olarak ne geliştirileceği pek net değil; fizikçiler halen bu konu üzerinde çalışıyorlar. Ancak Kuantum Alan Teorisi veya Her Şeyin Teorisi gibi teoriler, Einstein'ın göreliliğini bir adım daha öteye götürerek, parçacık fiziğinden kütleçekimine, en küçükten en büyüğe kadar her şeyi açıklayabilecek bir güce ulaşmayı hedefliyorlar. Sonuçları zaman gösterecek.