Sürtünme Kuvveti Nedir? Sürtünme Formülü Ne Anlama Gelir?

Sürtünme kuvveti, cismin hareket karşı olan direncidir. Genel fizikteki sürtünmeyi, iki katı yüzeyin birbirine göre olan hareketi sırasında ortaya çıkan direnç olarak kullanacağız. Fakat sürtünme kuvveti sadece katı cisimler arasında olmaz, birbirleri arasında kayan cisimlerde ve akışkan katmanları arasında da gerçekleşir.

Her ne kadar lise konu anlatımlarda problemi kolaylaştırmak için ihmal edilen unsur olarak akıllarda yer etmiş olsa da, sürtünme gündelik hayatta tecrübe ettiğimiz birçok olayın temelinde yer alır. Örneğin sürtünme kuvveti olmadan ayakta duramaz ya da koşamayız. Araçlar hareket edemez, çünkü hareket için tekerlerin yola sürtünüp onu itebilmesi gerekir. Birçok hareket, sürtünmenin varlığını mutlak kılar. Yani sürtünme, ekstra bir durum değil, doğal olarak var olan ve varlığı etrafımızdakileri açıklamamız için gerekli olan bir kuvvettir.

Sürtünme Kuvveti Çeşitleri

Sürtünme çeşitli türlere ayrılabilir, bunlar: kuru sürtünme, akışkan sürtünme, kayganlaştırılmış sürtünme, yüzey sürtünmesi ve iç sürtünmedir.

Kuru Sürtünme

Kuru sürtünme (İng: "dry friction"), birbirine temas eden iki katı cismin, birbirlerine göre olan hareketi sırasındaki dirençtir. Bu yazının konusu olan sürtünme biçimi, kuru sürtünmedir ve iki parçaya ayrılır: Statik sürtünme ve kinetik sürtünme. Bu sürtünmeye neden olan, en kaba düzeyde, yüzeylerin pürüzlülüğüdür.

Akışkan Sürtünme

Akışkan sürtünme (İng: "fluid friction"), viskoz akışkan katmanlarının, birbirlerine göre olan hareketi sırasındaki dirençtir. Her ne kadar sürtünme deyince akla ilk gelen kuru sürtünme olsa da akışkan sürtünmeyi gündelik hayatta sıkça tecrübe ederiz. Örneğin bal, yüksek viskoziteye (akmazlığa) sahiptir. Bunun nedeni içteki sürtünmenin fazla olmasıdır. Viskozite kavramı da buradan gelir.

Kayganlaştırıcı Sürtünme

Kayganlaştırılmış sürtünme (İng: "lubritaced friction"), aslında akışkan sürtünmesiyle ilgilidir. Bu durumda bir akışkan, iki katı yüzey arasına girerek kayganlaştırıcı görevi görür. Böylelikle iki katı cisim, normal duruma göre daha az kuvvet gereksinimiyle hareket eder. Oldukça basit gibi görünen bu durumun fiziği aslında bir o kadar da detay içerir. Örneğin çeşitli senaryolarda kayganlaştırıcı akışkanın nasıl hareket ettiği bambaşka bir konudur. İlginç bir şekilde bazı durumlarda cisim ileri giderken, akışkan geri gitmektedir!

Yüzey Sürtünmesi

Yüzey sürtünmesi (İng: "skin friction"), bir akışkanın içerisinde ilerleyen bir cisme uygulanan dirençtir. Akışkanların viskoziteleri nedeniyle ortaya çıkan bu sürtünme, laminar ve türbülent etkiler gibi akışkan olaylarıyla şekillenir. En kaba tabiriyle havada ilerleyen bir uçak, denizde ilerleyen bir gemi bu tipte bir sürtünmeye maruz kalır.

İç Sürtünme

İç sürtünme (İng: "internal friction"), bir cisim deforme olurken, onu oluşturran elementlerin hareketi sebebiyle ortaya çıkan dirençtir. Örneğin cismin şeklinde kalıcı değişikliğe neden olan plastik deformasyon ve cismin şeklinde geçici değişikliğe neden olan elastik deformasyon, bir iç sürtünme yaratır.

Bunlar haricinde tanımlanmış radyasyon sürtünmesi gibi çeşitli tanımlar da bulunur. Fakat bunlar şu an için konumuzun dışında ve odaklanacağımız nokta kuru sürtünme olacak.

Statik Sürtünme ve Kinetik Sürtünme

Genel fiziğin, yani mekaniğin en güzel yanı, sezgilerimize hitap etmesidir. Gündelik hayatta tecrübe ettiğimiz birçok olayla, mekanik yasalarını rahatlıkla ifade edebiliriz. Hiç kuşkusuz, biraz gözlerden uzak olsa da, sürtünme de bunlardan biridir. Kuru sürtünme olarak tanımladığımız olayı, statik sürtünme ve kinetik sürtünme olarak ikiye ayırırız. Neden böyle olduğunu anlamak için bir örnek verelim.

Bir kanepeyi, pürüzlü bir zemin üzerinde, örneğin bir halının üzerinde hareket ettirmeye çalıştığımızı düşünelim. Başlarda kuvvet uygulasak da kanepe hareket etmeyecektir. Onu yerinden oynatmak için ciddi anlamda bir kuvvet uygulamamız gerekir. Fakat sonra kanepe birden kayarak ilerler. Bunun nedeni, kanepeyi hareket ettirmek için gereken kuvvetin, kanepenin hareketini sürdürmek için gereken kuvvetten daha büyük olmasıdır.

Biraz daha fizik dilinden konuşmak adına, kanepeyi $\mathbf{F}$ kuvvetiyle sağa doğru ittiğimizi düşünelim. Uyguladığımız bu $\mathbf{F}$ kuvveti kanepeyi hareket ettirmek için yetersiz olabilir. Bu durumda kanepenin hareketini önleyen sürtünme kuvvetine de $\mathbf{f}$ dersek, bu da sola doğru olacaktır. Bu durumda kuvvet sıfırdır ($\mathbf{f}=-\mathbf{F}$), dolayısıyla kanepe ivmelenmeyeceği için hareket edemez.

Kanepe bu kuvvet uygulandığı süre boyunca hareketsiz olduğundan, ona karşı duran sürtünme kuvvetine, statik sürtünme kuvveti denir (İngilizce'de "statik" kelimesinin, "hareketin yokluğu" şeklinde bir anlamı vardır). Eğer uyguladığımız kuvveti artırırsak, bir noktada kanepe bir anda hareket edecektir. Bu noktada statik sürtünme maksimum değerindedir ve bu noktadan sonra kuvvette bir düşüş yaşanır. Elbette kanepe artık ivmelenmiştir ve hareket etmektedir. Bu noktada kanepe hiç kuşkusuz hala bir sürtünme etkisi altındadır, statik sürtünme kuvvetinin maksimum değerinden düşük olan bu sürtünme kuvvetine de kinetik sürtünme denir (İngilizce'de kinetiğin "hareketle alakalı" şeklinde bir anlamı vardır).

Geleneksel bir tercih olarak statik sürtünme kuvveti ${\mathbf{f}}_{\mathbf{s}}$, kinetik sürtünme kuvveti ise ${\mathbf{f}}_{\mathbf{k}}$ ile gösterilir.

Sürtünmenin Çeşitli Durumlardaki Rolü

Eğer $\mathbf{F}>{\mathbf{f}}_{\mathbf{s}}$ ise, ilgili doğrultu boyunca ivmeli bir hareket gerçekleşir. Çünkü bu noktada kuvvetler eşit değildir (dengelenmemiştir). Dolayısıyla net kuvvet sıfırdan farklıdır ve ivme vardır. Eğer $\mathbf{F}={\mathbf{f}}_{\mathbf{k}}$ ise, sabit hızla bir hareket yapar. Eğer uygulanan $\mathbf{F}$ kuvveti tümden kaldırılırsa, hareket boyunca etki eden sürtünmeden dolayı cisim yavaşlayarak bir noktadan sonra durur. Yani sürtünme kuvveti harekete ters yönde olduğundan, yavaşlatıcı bir ivmeye neden olur.

Sürtünme Yasaları ve Sürtünme Formülleri

Statik sürtünme ve kinetik sürtünme ile ilgili durumları aşağıdaki maddeler ve formüller ile özetleyebiliriz.

Temas halinde olan iki cisim arasındaki statik sürtünme kuvveti, cisme uygulanan kuvvete zıt yönlüdür ve şununla sınırlıdır:

${\mathbf{f}}_{\mathbf{s}}\le {\mu }_s\mathbf{n}$

${\mu }_s$ ile gösterilen birimsiz bir katsayıdır ve buna statik sürtünme katsayısı denir. $\mathbf{n}$ ise normal kuvvetin büyüklüğüdür. Buradaki eşitsizliğin manasını anlamak oldukça önemlidir. Eşitsizliğin sağ tarafındaki değerin, sol tarafa bir sınır oluşturduğunu görürüz. Yani soldaki değer, daima sağdakinden küçüktür. Eğer tanımımızı hatırlayacak olursak bu akla oldukça yatkındır. Bu durum, kanepeyi itmeye çalışırken uyguladığımız yetersiz kuvveti ifade eder. Onu hareket ettirmek için, eşitsizliğin sağ tarafındaki kadar kuvvet uygulamak gerekir, aksi takdirde kanepe hareket etmez. Dolayısıyla bu ifadenin bir eşitlik haline dönüştüğü durum, tam olarak kanepenin hareket ettiği, statik sürtünmenin maksimum olduğu andır.

Halihazırda hareket etmekte olan cisme etki eden kinetik sürtünme kuvveti, cismin hareketine zıt yöndedir ve şu şekilde tanımlanır:

${\mathbf{f}}_{\mathbf{k}}={\mu }_k\mathbf{n}$

Buradaki ${\mu }_k$ tıpkı bir önceki durumdaki gibi birimsiz, kinetik sürtünme katsayısıdır. Bu katsayıları pratik amaçlar için sabit kabul ederiz, fakat aslında sabit olmadıklarını bilmekte yarar var. Örneğin kinetik sürtünme katsayısı hızın değişmesiyle değişim gösterir.