Kuvvet ve Kuvvetin Ölçülmesi

Sabah okula gelirken kapıyı itip açtın, sırana oturunca çantanın fermuarını çektin, kalemini eline aldın. Bütün bunları yaparken cisimleri ya ittin ya da çektin. Bir cisme uygulanan itme ya da çekmeye kuvvet denir. Kuvveti gözünle göremezsin; ama kapının açılması, fermuarın kayması, topun yuvarlanması gibi sonuçlarından kuvvetin uygulandığını anlarsın.

İtme, bir cismi kendinden uzaklaştırmaya çalışmandır: Alışveriş arabasını itersin, kaydırakta arkadaşını hafifçe itersin, duvara yaslanırken duvarı itersin. Çekme ise cismi kendine doğru getirmeye çalışmandır: Çekmeceyi çekersin, ipi çekersin, bayramda bayrağı göndere çekerken ipi aşağı doğru çekersin. Halat çekme oyununda iki takım da halatı kendine doğru çeker; hangi takım daha büyük kuvvet uygularsa halat o yöne gider.

Kuvvet yalnızca insanların uyguladığı bir şey değildir. Rüzgâr yelkenliyi iter, akarsu üzerindeki yaprağı sürükler, at arabayı çeker, mıknatıs toplu iğneyi kendine çeker. Elinden bıraktığın kalemi yere doğru çeken de Dünya’dır. Demek ki çoğu kuvvet için cisme dokunmak gerekir; ama mıknatısın ve Dünya’nın çekmesi gibi dokunmadan etki eden kuvvetler de vardır.

Kuvvet uyguladığında cisimde bir değişiklik olur. Yerde duran topa vurursan top hareket etmeye başlar: Kuvvet, duran cismi hareket ettirir. Sana doğru gelen topu elinle tutarsan top durur: Kuvvet, hareket eden cismi durdurur. Bisikletin pedalını daha güçlü çevirirsen hızlanırsın, frene basarsan yavaşlarsın: Kuvvet, cismin hızını artırabilir ya da azaltabilir.

Kuvvet, hareket eden bir cismin yönünü de değiştirir. Kaleye doğru gelen top, kafa vuruşuyla başka yöne gider; tenis topu rakete çarpınca geri döner. Kuvvetin bir etkisi de cismin şeklini değiştirmesidir. Hamuru yoğurduğunda, süngeri sıktığında, kâğıdı buruşturduğunda, boş bir teneke kutuyu ezdiğinde cismin şekli uyguladığın kuvvetle değişir.

Şekil değişikliği bazen kalıcı, bazen geçicidir. Hamur ve alüminyum folyo verdiğin şekli korur. Sünger, lastik ve yay ise kuvveti kaldırınca eski şekline döner. Bu ikinci tür cisimlere esnek cisimler denir; kuvveti ölçerken bu özellikten yararlanacaksın.

Bazen kuvvet uygularsın ama gözle görülür bir değişiklik olmaz. Sınıfın duvarını bütün gücünle itsen de duvar yerinden oynamaz. Yine de kuvvet uygulamışsındır; duvar çok sağlam olduğu için etkisini göremezsin. Kuvvetin varlığını her zaman hareketten anlayamazsın; ellerinin yorulması bile bir kuvvet uyguladığını gösterir.

Bir kuvveti arkadaşına anlatmak istesen neler söylerdin? Önce kuvvetin ne kadar büyük olduğunu söylersin: Topa hafifçe mi vurdun, bütün gücünle mi? Buna kuvvetin büyüklüğü denir. Boş bir kutuyu itmek için küçük bir kuvvet yeter; dolu bir dolabı itmek için çok daha büyük bir kuvvet gerekir.

Sonra kuvvetin hangi yöne uygulandığını söylersin. İpi sağa çekersen kutu sağa, sola çekersen sola gider; topu yukarı atarsan top yukarı çıkar. Buna kuvvetin yönü denir. Halat çekme oyununda iki takım aynı büyüklükte kuvvet uygularsa halat kıpırdamaz; çünkü kuvvetlerin yönleri birbirine terstir.

Son olarak kuvveti cismin neresine uyguladığın önemlidir; buna uygulama noktası denir. Kapıyı kolunun yanından itmek kolaydır ama menteşeye yakın bir yerden itmek çok zordur. Topun ortasına vurursan top düz gider, kenarına vurursan döne döne gider.

Özetle kuvvet itme ya da çekme olarak uygulanır; cisimlerin hareketini ya da şeklini değiştirir; büyüklüğü, yönü ve uygulama noktası vardır. Bunların içinde bu hafta en çok büyüklükle ilgileneceksin; çünkü “az kuvvet”, “çok kuvvet” demek bilimde yeterli değildir. Bir kuvvetin büyüklüğünü herkesin aynı biçimde anlayabilmesi için onu ölçmek ve bir sayıyla söylemek gerekir.

Bir yayı iki ucundan tutup çek: Yay uzar. Bırakınca eski uzunluğuna döner. Bir lastiği gerdiğinde de aynı şey olur. Kuvvet uygulandığında şekli değişen, kuvvet kalkınca eski hâline dönen cisimlere esnek cisim; bu özelliğe de esneklik denir. Yay, lastik, sünger ve lastik top esnek cisimlerdir.

Yayın esnekliğinin çok işine yarayacak bir özelliği var: Yayı ne kadar büyük kuvvetle çekersen yay o kadar çok uzar. Küçük bir kuvvet yayı az, daha büyük bir kuvvet daha çok uzatır. Uzama düzenli biçimde artar; yani kuvveti iki katına çıkarırsan uzama da iki katına çıkar. Bu düzen sayesinde yayın ne kadar uzadığına bakarak uygulanan kuvvetin büyüklüğünü anlayabilirsin. Kuvvet ölçen araçlar işte bu düşünceyle yapılır.

Ancak her yayın bir dayanma sınırı vardır. Yayı çok büyük bir kuvvetle çekersen esneklik sınırı aşılır; yay bir daha eski hâline dönemez, kalıcı olarak uzar ve artık doğru ölçüm yapamaz. Bunun yanında yaylar birbirinden farklıdır: İnce telden yapılmış bir yay küçük bir kuvvetle bile kolayca uzar; kalın telden yapılmış bir yayı uzatmak içinse büyük bir kuvvet gerekir. Bu yüzden küçük kuvvetleri ince yaylı, büyük kuvvetleri kalın yaylı araçlarla ölçersin.

Kuvvetin büyüklüğünü ölçmek için kullanılan araca dinamometre denir. Dinamometrenin içinde bir yay bulunur. Yayın üst ucu, dinamometreyi bir yere asmanı sağlayan halkanın bulunduğu tarafa bağlıdır; alt ucunda ise cismi takacağın kanca vardır. Kancayı çektiğinde ya da kancaya bir cisim astığında yay uzar; yaya bağlı gösterge (ibre), dinamometrenin üzerindeki bölmeli ölçek boyunca kayar. İbrenin durduğu yerdeki sayı, uygulanan kuvvetin büyüklüğüdür.

Kuvvet birimi olarak newton kullanılır; kısaltması büyük N harfidir. Bu birim adını, kuvvet ve hareket üzerine çalışmalar yapan ünlü bilim insanı Isaac Newton’dan alır. Bir kuvvetin büyüklüğü “5 N” ya da “12 N” gibi, sayı ve birimle birlikte yazılır. Kuvvet, dinamometreyle ölçülen bir büyüklüktür; demek ki bilimdeki kısa tanımı şöyledir: Kuvvet, dinamometreyle ölçülen ve newton (N) birimiyle ifade edilen büyüklüktür.

1 N’luk kuvvet ne kadardır? Bunu hissetmek için küçük bir elmayı (yaklaşık 100 gramlık) avucunda tuttuğunu düşün; elma, avucunu yaklaşık 1 N’luk kuvvetle aşağı doğru iter. Bir litrelik dolu su şişesini dinamometreye asarsan ibre yaklaşık 10 N değerini gösterir. Masanın üzerindeki kalem kutusunu çekmek, bir çekmeceyi açmak gibi günlük işler genellikle birkaç newtonluk kuvvetlerle yapılır.

Dinamometreler ölçebilecekleri en büyük kuvvete göre üretilir; bu değer aracın üzerinde yazar: 1 N, 2 N, 5 N, 10 N, 50 N gibi. Küçük kuvvetleri ölçen dinamometrelerde ince, büyük kuvvetleri ölçenlerde kalın yay bulunur. Ölçeceğin kuvvete uygun dinamometreyi seçmelisin: Küçük bir dinamometreyle büyük bir kuvvet ölçmeye kalkarsan yay bozulur; çok büyük bir dinamometreyle küçük bir kuvvet ölçmeye kalkarsan ibre neredeyse hiç kıpırdamaz ve değeri okuyamazsın.

Şimdi kuvveti kendin ölçme zamanı. Grubunla birlikte bir dinamometre, bir silgi, bir kalem kutusu, bir fen kitabı ve dolu bir su matarası alın. Her cismi ipliğiyle ya da doğrudan kancaya asın; dinamometreyi halkasından tutup sabit durmasını bekleyin ve ibrenin gösterdiği değeri okuyun. Cisim sallanırken okuma yapmayın; ibre durunca okuyun.

Her ölçümü hemen bir tabloya yazın. Tabloda cismin adı, kullandığınız dinamometrenin en büyük değeri ve okuduğunuz kuvvet bulunmalı. Ölçümü grubun farklı üyeleri birer kez tekrar etsin; sonuçlar birbirine yakın çıkıyorsa ölçümünüz güvenilirdir. Farklı çıkıyorsa nedenini birlikte arayın: Belki ibre başta sıfırda değildi, belki cisim sallanırken okudunuz, belki de cisimler için farklı dinamometreler kullandınız.

Ölçümler bitince tabloyu inceleyin. Hangi cisim dinamometreyi en büyük kuvvetle çekti, hangisi en küçük? Cisimleri uyguladıkları kuvvete göre küçükten büyüğe sıralayın. İki cismin değerlerini çıkararak aralarındaki farkı bulun. Başka bir grubun tablosuyla kendi tablonuzu karşılaştırın; aynı cisim için benzer değerler bulup bulmadığınıza bakın. Aşağıdaki tablo bir grubun ölçüm sonuçlarını gösteriyor; sizin değerleriniz farklı çıkabilir.

Dinamometreyi cisim asmadan, elinle çekerek de kullanabilirsin. Önce hafifçe, sonra biraz daha güçlü, en sonunda da üzerindeki en büyük değeri aşmadan güçlüce çek ve her seferinde değeri oku. Böylece “hafif”, “orta” ve “güçlü” dediğin kuvvetlerin kaç newton olduğunu görürsün. Artık kuvvet hakkında konuşurken tahmin yürütmek yerine ölçüm sonucu verebilirsin.

Dinamometrenin nasıl çalıştığını en iyi, kendin bir model yaparak anlarsın. Bunun için bir paket lastiği (ya da yumuşak bir yay), bir ataş, bir karton şerit, kalem, cetvel ve modelini asabileceğin bir yer yeterli. Lastiğin bir ucunu kartonun üst kısmına raptiye ya da bantla sabitle; alt ucuna ataşı kanca olacak biçimde tak. Lastik serbest dururken ucunun geldiği yeri kartona işaretle ve yanına 0 yaz.

Şimdi kancaya sırayla farklı cisimler as: bir silgi, bir makas, küçük bir su şişesi. Her cisimde lastiğin ucunun geldiği yeri kartona işaretle ve yanına cismin adını yaz. Cisim ne kadar büyük kuvvetle çekiyorsa işaret 0’dan o kadar uzağa düşer. Böylece modelin, cisimlerin uyguladığı çekme kuvvetlerini karşılaştırmanı sağlar.

Modeline newton değerleri de yazabilirsin. Bunun için bir cismi önce gerçek dinamometreyle ölç, sonra aynı cismi modeline as ve o işaretin yanına ölçtüğün değeri yaz. Birkaç cisimle bunu tekrarlarsan kartonun üzerinde kendi ölçeğin oluşur. Modelini yaparken lastiği aşırı germemeye dikkat et; aksi hâlde lastik esnekliğini kaybeder ve ölçeğin artık doğru çalışmaz. Tasarımını arkadaşlarınınkiyle karşılaştır: Hangi modelde işaretler birbirinden daha net ayrılıyor, neden?