Vektörler Ve Kuvvetler Ders Notları Skaler ve Vektörel Büyüklükler Sadece bir sayı ve bir birim ile belirtilen uzunluk, kütle, zaman gibi büyüklüklere skaler büyüklükler denir. 500 metre, 50 m/s, 175 cm, 3 saat gibi büyüklükler skaler büyüklüklerdir. Vektörel büyüklükler ise, bir sayı ve bir birim yanında yönü de olan büyüklüklerdir. A'dan B'ye 2 saate gitmek vektörel bir büyüklüğü ifade eder. Uzunluk ve Zaman Birimleri Hareketi iyi anlayabilmek için ilk olarak temel uzunluk ve zaman ölçülerini bilmek gerekir. Metre uzunluğun temel ölçü birimidir. Bir metre, Paris'ten geçen, kuzey kutbu ve ekvator arasındaki boyuna çizgi boyunca ölçülen uzaklığın on milyonda birisidir. Bu bir metreyi temsil eden metal çubuk Uluslararası Ağırlıklar ve **çüler Bürosu'nda bulunmaktadır. Bir metrenin uzunluğunu belirlemenin bir başka yolu ise, bilimdeki hızlı gelişmelerden birisi olan ışık hızından yararlanmaktır. Buna göre 1 metre = Işığın boşlukta 1/299,792,458 saniyede yol aldığı mesafedir. Saniye ise = Sezyum atomunun yayınladığı belli bir dalga boyundaki ışığın, 9192631770 devir yapması için geçen zamandır. Kütle, enerji, zaman, hız, kuvvet ve sıcaklık gibi bir ölçme aracı ile ölçülebilen büyüklükler fiziksel niceliklerdir. Bu tür büyüklükler genel olarak iki kısımda incelenir. Bunlar: 1) Skaler Büyüklükler 2) Vektörel Büyüklüklerdir. 1) Skaler Büyüklükler Yalnızca sayılarla ifade edilebilen ve bir birimi olan büyüklüklere denir. Skaler büyüklükler, kütle, sıcaklık, güç, zaman, iş vb. olarak incelenebilir. Örneğin; 3 metre, 5 kilogram, 35 oC, 600 Newton, 220 Volt gibi. 2) Vektörel Büyüklükler **çülen büyüklüklerin bazılarındaki sayısal değer ve birim bazen bu veriyi anlamak için yeterli değildir. Bu büyüklüğün yönü, şiddeti, başlangıç noktası ve doğrultusu da önem kazanır. Örneğin; "Araba Ankara'dan İstanbul'a doğru saatte 90 km/sa hızla hareket ediyor" cümlesinde aracın yönü, doğrultusu ve hızı gibi kavramlar bilinmesi gereken değerlerdir. Vektörel büyüklük; şiddeti, yönü, doğrultusu ve başlangıç noktası belirlenebilen büyüklüklerdir. Yani yönlendirilmiş doğru parçalarına vetör denir. Vektörel büyüklükleri simgesi üzerine ok işareti konularak skaler büyüklüklerden ayırt edilmektedir. KUVVET Günlük yaşantımızda yapılan her işte kuvvet kullanırız. Öğrencinin kitaplarını taşıması, evin kapısının kapatılması, deredeki suyun akması, bir uçağın havalanması kuvvet gerektiren bazı olaylardır. Bu nedenle yaşantımızda kuvvet olmadan bir iş yapmamız mümkün değildir. Kainattaki bütün itme ve çekme olaylarının temelinde kuvvet vardır. Kuvvet, bir cisme temas ederek olabileceği gibi temas etmeden de meydana gelebilir. Dünya ve güneşin birbirlerini, mıknatısların diğer maddeleri çekmesi ve elektro manyetik çekim temas gerektirmeyen kuvvete örnek verilebilir. O halde kuvvet; fiziksel, kimyasal ve biyolojik sistemlerin temel özelliğini oluşturan en önemli kavramlardan bir tanesidir. Duran bir cismi harekete geçiren, hareket halindeki bir cismi durduran, cismin yön ve doğrultusunu değiştiren veya cisimlerin biçimlerinde değişiklik yapan etkiye kuvvet denir. Kuvvetin Cisimlerin Hareketlerindeki Etkileri 1) Kuvvet etki ettiği cisimlere hareket kazandırabilir. 2) Kuvvet cisimlerin hızlarını değiştirebilir. 3) Kuvvet hareket eden cisimlerin yönünü değiştirebilir. 4) Kuvvet cisimlerde şekil değişikliğine sebep olabilir. 5) Kuvvetlerin cisimler üzerinde döndürme etkileri bulunur. Kuvvetlerin Bileşkesi Her hangi bir cisme birden fazla kuvvet uygulandığında, cisme tek bir kuvvet uygulanıyormuş gibi olur. Burada bir nesneye etkiyen birden fazla kuvvetin etkisi söz konusudur. ile gösterilir. Örneğin bir kişinin A noktasından B noktasına taşıdığı bir yükü taşımak için bir başka kişi yardım ederse bileşke kuvvet artacağından taşıma süresi kısalacaktır. Veya bir cisme doğu yönünde 10 Newton kuvvet uygulanırken, bu kuvvete zıt yönde 15 Newton kuvvet uygulandığında cisim ters yönde hareket edecektir. Bu özellikler kuvvetin bileşke kuvveti olarak bilinmektedir. Aynı Yönlü Kuvvetlerin Bileşkesi Bir cisme aynı yön ve aynı doğru boyunca etkiyen iki ve daha fazla kuvvetin birleşmesi ile bu kuvvetlerin bileşke kuvveti ortaya çıkar. Bileşkenin şiddeti, kuvvetlerin toplam şiddetine eşittir. Şekildeki M kütlesine etkiyen F1 ve F2 kuvvetlerinin toplamı bileşke kuvveti verir. FB = F1 + F2 Örneğin, M kütlesine 15 Newton ve 25 Newtonluk iki kuvvet aynı yönde etkilediğinde bileşke kuvvet; FB = F1 + F2 ise FB = 15 + 25 = 40 Newton olur. Zıt Yönlü Kuvvetlerin Bileşkesi Bir cisme aynı doğrultuda fakat ters yönlerde etkiyen iki kuvvetin bileşkesi, şiddeti büyük olan kuvvet yönündedir. Bileşke şiddeti ise, kuvvetlerin şiddetinin farkına eşit olur. Ters yönlü kuvvetler eşit şiddete olursa bileşke kuvvet sıfır olur. FB = F1 - F2 Yukarıdaki M cismine etkiyen iki farklı kuvvet zıt yönlü olduklarından, cismin hareket yönü şiddeti büyük olan kuvvet yönünde olacaktır. Örneğin; F1 25 Newton iken F2 30 Newton olduğunda bileşke kuvvet; FB = F1 - F2 ise FB = 30 - 25 = 5 Newton olur. Bu cismin hareket yönü F2 kuvveti yönündedir. Kesişen Kuvvetlerin Bileşkesi İki veya daha fazla kesişen kuvvetin etkisinde olan bir cisim, kuvvetlerin arasında yer alan bir doğrultuda hareket eder. Kesişen kuvvetlerin bileşkesi bulunurken, vektörlerin ucundan diğer vektöre paralel çizgiler çizilerek ortaya çıkan paralel kenarın başlangıç noktasından iki vektörün birleştikleri vektör birleşik vektördür. Aynı noktaya etkiyen kuvvetlerin bileşkesini bulmak için iki farklı yöntem vardır. Bunlar uç uca ekleme ve paralel kenar metodudur. 1) Uç Uca Ekleme Metodu Uç uca ekleme metodunda kuvvetler, yön, doğrultu ve şiddetinde değişiklik yapılmadan ve sıralarına dikkat edilmeksizin uç uca eklenerek birleştirilirler. Yani ilk kuvvetin başlangıç noktası ile son kuvvetin bitiş noktası birleştirilerek toplam kuvvet bulunur. Örneğin aşağıda verile iki kuvveti uç uca ekleme yöntemi ile birleştirecek olursak: şekilde verilen kuvvetlerin bileşkesini bulmak için aşağıdaki gibi uç uca ekleme yapılarak bileşke kuvvet bulunur. 2) Paralel Kenar Metodu Kuvvetlerin başlangıç noktası bir noktadan referans kabul edilerek başlanır. Ortaya çıkan şekil paralel kenara olacak şekilde birleştirilir. Bu kuvvetlerin izdüşümleri alınarak başlangıç noktasından geçen köşegen uzunluğu bileşke kuvveti verir.
Kuvvetler Cisimlerin hareket durumlarını veya şekillerini değiştirebilen etkiye kuvvet denir. Etki ettiği cismin şeklini değiştirmesi ve esnek cisimlerin uzayıp sıkışması gibi olaylar, kuvvetin statik etkisinin sonucudur. Duran cismi hareket ettirmesi, hareket halindeki cismin hızında değişiklik yapması, kuvvetin dinamik etkisinin sonucudur. Kuvvet vektörel bir büyüklük olduğundan, vektörlerin bütün özellikleri kuvvetler için de geçerlidir. SI birim sisteminde kuvvet birimi newton (N) dur. Dinamometre Kuvvet dinamometre ile ölçülür. Esnek yaydaki uzama miktarı, dinamometreye asılan cismin ağırlık kuvveti ile doğru orantılıdır. Dolayısıyla yaydaki uzama, kuvvetin büyüklüğünün bir ölçüsü olarak alınabilir. Örneğin 10 N ağırlıklı cisim asıldığında yay 1 mm uzuyorsa, 50 N ağırlıklı cisim asıldığında yay 5 mm uzayacaktır. Ağırlık bir kuvvet olduğundan, kütlesi m olan bir cismin ağırlığı G = mg dir. Buradaki g yerçekim ivmesi olup ölçümün yapıldığı yere göre değişebilmektedir. Bileşke Kuvvet İki ya da daha fazla kuvvetin yaptığı etkiyi tek başına yapan kuvvete bileşke kuvvet denir. Kuvvetlerin herbirine ise bileşke kuvvetin bileşenleri denir. Bileşke kuvvet R sembolü ile gösterilir. a) Aynı Doğrultudaki Kuvvetlerin Bileşkesi Aynı noktaya uygulanan ve aynı yönlü olan kuvvetlerin bileşkesinin büyüklüğü, kuvvetlerin cebirsel topl***** eşittir. R = F1 + F2 dir. Bu durumda kuvvetler arasındaki açı a = 0° olduğundan bileşke kuvvetin şiddeti maksimum değerde olur. Aynı noktaya uygulanan kuvvetler zıt yönlü iseler bileşke kuvvetin şiddeti, vektörlerin şiddetinin yine cebirsel farkına eşit olur. R = F1 – F2 dir. Kuvvetler zıt yönlü iken aralarındaki açı a = 180° olduğundan bileşke kuvvetin şiddeti minimum değerde olur. İki kuvvetin bileşkesinin büyüklüğü, kuvvetlerin cebirsel toplamından büyük ,farkından küçük olamaz Kuvvetler arasındaki açı büyüdükçe bileşke kuvvetin şiddeti azalır b) Kesişen Kuvvetlerin Bileşkesi Vektörlerin toplanmasında ve çıkarılmasında anlatılan tüm özellikler kuvvetler için de aynen geçerlidir. Şekildeki F1 ve F2 kuvvetlerinin bileşkesi yani vektörel toplamı, uç uca ekleme ya da paralelkenar metoduyla bulunur. Kuvvetlerin şiddetleri F1 ve F2, aralarındaki açı a ise, bileşke kuvvetin şiddeti bağıntısından bulunur. ÖSS sınavında gelen sorularda bu bağıntı kullanılarak soru gelmektedir.Ancak bu bağıntı çıkarılan özel durumlarla ilgili sorular gelmektedir. 1. Kuvvetler eşit büyüklükte ve aralarındaki açı a = 60° ise, bileşke kuvvetin şiddeti 2. Eşit büyüklükteki kuvvetler arasındaki açı, a = 120° ise bileşke kuvvetin şiddeti kuvvetlerden bir tanesinin şiddetine eşittir. 3. F1 ve F2 kuvvetleri arasındaki açı 90° ise, bileşke kuvvetin şiddeti pisagor bağıntısından bulunur. Eğer kuvvetlerin şiddetleri eşit ise, bileşke kuvvetin büyüklüğü Duran cisimler, üzerine etkileyen kuvvetlerin bileşkesi yönünde harekete geçer. Kuvvetlerin Dengesi Cismin bir noktasına aynı doğrultulu eşit şiddette ve zıt yönde iki kuvvet uygulandığında, bu kuvvetler birbirini dengeler. Yani bu kuvvetlerin bileşkesi sıfır olur. Buna göre, bir cisme uygulanan bütün kuvvetlerin bileşkesi sıfır ise cisim dengededir. Cismin dengede olması demek ya durması, ya da sabit hızla gitmesi demektir. Şekildeki cisme F1 ve F2 kuvvetleri uygulandığında cismin dengede kalabilmesi için, bileşke kuvvetin uygulandığı noktaya bileşke kuvvete eşit şiddette ve zıt yönlü bir kuvvet uygulanmalıdır. Bu kuvvete dengeleyici kuvvet denir. Bir cismin dengede kalabilmesi için uygulanan kuvvetlerin bileşkesi sıfır olmalıdır. SF = 0 olmalıdır. Ayrıca kuvvetler x ve y eksenlerine bileşenler ayrılarak taşınırsa, x ve y eksenlerindeki kuvvetlerin bileşkesi ayrı ayrı sıfır olmalıdır. SFx = 0, SFy = 0 olmalıdır. Lami Teoremi Kesişen üç kuvvet dengede ise,kuvvetlerin, karşılarındaki açıların sinüslerine oranı sabittir. Buna göre; Bu bağıntıya göre, kesişen üç kuvvet dengede ise, küçük açının karşısındaki kuvvet büyük, büyük açının karşısındaki kuvvet ise küçüktür. Etki – Tepki Prensibi Her etkiye karşı eşit ve zıt yönlü bir tepki uygulanır. Etki kuvvetinin büyüklüğü ile tepki kuvvetinin büyüklüğü eşit fakat zıt yönlüdür. Şekildeki cisim, zemine ağırlığı kadar bir etki uygularsa, zeminde cisme o büyüklükte bir tepki kuvveti uygular. Fetki = – Ftepki G = – N dir. Şekildeki ip iki ucundan eşit büyüklükteki F kuvvetleri ile çekilirse, ipteki gerilme kuvveti yine F olur. Ayrıca ipin bütün noktalarındaki gerilme kuvveti aynı değerdedir. Maddelerin Esnekliği Maddeler üzerine bir kuvvet uygulanırsa şekillerinde az veya çok bazı değişmeler olur. Esnek bir yay iki ucundan çekilirse uzar, iki ucundan sıkıştırılırsa kısalır. Sünger gibi esnek cisimlerin şeklinde daha fazla değişme olur. Çelik çubuğun bir ucu sabitlenip diğer ucundan bir kuvvet uygulanırsa çubuk eğilir, kuvvet kaldırılırsa, eski halini alır. Cisimlerin şekillerini değiştirici kuvvet ortadan kaldırıldığında tekrar eski halini alan maddelere esnek maddeler denir. Şekildeki metal telin bir ucu duvara sabitlenip diğer ucuna cisimler asıldığında veya kuvvet uygulandığında, telde uzama olur. Teldeki uzama miktarı, a) Telin boyu ile doğru orantılıdır. b) Telin kesit alanı ile ters orantılıdır. c) Telin ucuna uygulanan kuvvet ile doğru orantılıdır. d) Uzama miktarı ayrıca telin cinsine de bağlıdır. Örneğin, ilk boyu ve kesit alanı aynı olan çelik ve bakır tele aynı büyüklükte kuvvet uygulanırsa, bakır tel çelik tele göre daha fazla uzar. Esnek bir yayın ucuna G ağırlıklı bir cisim asılırsa yay uzar. Daha ağır bir cisim asıldığında ise yay daha fazla uzar. Yani yaydaki uzama miktarı yayı geren kuvvet ile doğru orantılıdır. F = – k . x olur. Burada x : yaydaki uzama veya sıkışma miktarı k : Yay sabiti olup yayın cinsine ve uzunluğuna bağlıdır. Formülün önündeki (–) işareti F vektörü ile x vektörünün zıt yönlü olduğunu gösterir. Büyüklük hesabı yapıldığında (–) işareti dikkate alınmaz.
