Newton'un birinci ve üçüncü yasası

Bir otobüs durağa yaklaşırken şoför sert fren yapıyor ve ayakta duran yolcular öne doğru savruluyor. Kimse onları itmedi; tersine, otobüs yavaşladı ve yolcular eski hızlarıyla gitmeye devam etmek istedi. Aynı otobüs hareket ederken bu kez yolcular geriye doğru sendeliyor. Birkaç durak sonra bir yolcu duvara yaslanıp bastırıyor ve duvarın da onu geri ittiğini hissediyor; ne kadar sert bastırırsa duvar da o kadar sert karşılık veriyor. Bu iki gündelik deneyim, hareketin iki temel yasasının özetidir. Önceki derste kuvveti ve net kuvveti tanımladık; net kuvvet sıfırken cismin hareketinin değişmediğini gördük. Bu derste o gözlemi Newton'un birinci yasası, yani eylemsizlik ilkesi olarak yazıyoruz; ardından kuvvetlerin her zaman çiftler hâlinde ortaya çıktığını söyleyen üçüncü yasaya, etki-tepki ilkesine geçiyoruz. En sık yapılan hatayı, birbirini dengeleyen kuvvetlerle etki-tepki çiftlerini karıştırmayı, örneklerle ayırıyoruz.

• Eylemsizlik ilkesini ifade eder, eylemsizliğin kütleyle ilişkisini açıklarsın.
• Günlük hayattaki eylemsizlik olaylarını birinci yasayla yorumlarsın.
• Etki-tepki kuvvet çiftlerini tanır, bunların farklı cisimlere etki ettiğini gösterirsin.
• Dengelenmiş kuvvetler ile etki-tepki çiftlerini birbirinden ayırırsın.

Eski bir yanılgı

Uzun süre, bir cismin hareket etmeye devam etmesi için sürekli bir kuvvet gerektiği düşünüldü. Aristoteles'in fiziğinde hareket bir nedene ihtiyaç duyar; itme bitince cisim durur. Gündelik deneyim de bunu destekler gibidir: itmeyi bıraktığımız bir kutu kısa sürede durur. Galileo eğik düzlemlerle yaptığı deneyler ve düşünce deneyleriyle bu görüşe karşı çıktı: sürtünme azaldıkça bir topun daha uzun yol aldığını, sürtünme hiç olmasaydı sonsuza dek gideceğini savundu. Kutuyu durduran şey kuvvetin bitmesi değil, sürtünmenin varlığıdır. Isaac Newton bu fikri 1687'de yayımlanan Principia adlı eserinde hareket yasalarının ilki olarak yazdı.

Birinci yasa: eylemsizlik ilkesi

Üzerindeki kuvvetlerin bileşkesi sıfır olan bir cisim, duruyorsa durmaya, hareket ediyorsa aynı hızla ve aynı yönde doğrusal hareketine devam eder.

Cisimlerin hareket durumlarını koruma eğilimine eylemsizlik denir. Eylemsizlik bir kuvvet değildir; cismin bir özelliğidir. Ölçüsü kütledir: kütlesi büyük olan cismin hareket durumunu değiştirmek daha zordur. Dolu bir alışveriş arabasını harekete geçirmek de, hareket hâlindeyken durdurmak da boş arabadan zordur.

Birinci yasa iki şeyi birlikte söyler. Birincisi, hareketin sürmesi için kuvvet gerekmez; uzay boşluğunda motorları kapalı bir sonda yıllarca aynı hızla yol alır. İkincisi, hızda bir değişiklik görüyorsak, yani cisim hızlanıyor, yavaşlıyor ya da yön değiştiriyorsa, ona etki eden net kuvvet sıfır değildir.

Günlük hayatta eylemsizlik

• Fren yapan bir araçta yolcular öne savrulur; araç yavaşlarken yolcuların gövdesi eski hızını korumaya çalışır. Emniyet kemeri bu yüzden vardır.
• Aniden sola dönen bir araçta yolcular sağa itiliyor gibi hissederler; aslında gövdeleri düz gitmeye devam eder, araç ise altlarından sola döner.
• Bir masa örtüsü hızla çekildiğinde üstündeki tabaklar yerinde kalabilir; kısa süreli çekiş tabakların hareket durumunu değiştirmeye yetmez.
• Bir halıyı sopayla dövünce toz çıkar; halı aniden hareket eder, toz tanecikleri ise olduğu yerde kalmaya çalışır ve halıdan ayrılır.
• Bir çekicin sapı yere vurulunca gevşemiş başı sapa oturur; sap durur, baş hareketine devam eder.
• Ağır bir yük treni istasyondan çok yavaş kalkar ve durabilmek için yüzlerce metre fren yolu gerekir; kütlesi büyük olduğu için hareket durumunu değiştirmek de zordur.
• Sıkışmış bir sos şişesi ağzı aşağıda tutulup hızla indirilip aniden durdurulursa, şişe durur ama içindeki sos aşağı doğru hareketine devam eder ve şişeden çıkar.

Üçüncü yasa: etki-tepki ilkesi

Bir cisim başka bir cisme kuvvet uyguluyorsa, ikinci cisim de birinciye aynı büyüklükte, aynı doğrultuda ve zıt yönde bir kuvvet uygular.

Bu iki kuvvete etki ve tepki denir; hangisine etki, hangisine tepki dendiği önemli değildir, ikisi aynı anda ortaya çıkar ve aynı anda kaybolur. Etki-tepki çiftinin dört özelliği vardır:

1. Büyüklükleri eşittir.
2. Doğrultuları aynı, yönleri zıttır.
3. Aynı türdendir: biri kütle çekimiyse öteki de kütle çekimidir, biri temas kuvvetiyse öteki de temas kuvvetidir.
4. Farklı cisimlere etki ederler.

Dördüncü özellik en çok gözden kaçandır ve etki ile tepkinin neden birbirini yok etmediğini açıklar. İki kuvvet aynı cisme etki etmediği için toplanamaz; her biri kendi cisminin hareketini etkiler.

Etki-tepki örnekleri

Yürürken ayağımız yeri geriye doğru iter; yer de ayağımızı öne doğru iter ve bizi ileri taşıyan bu tepki kuvvetidir. Buzda yürümek bu yüzden zordur: ayak yeri geriye itemezse yer de bizi öne itemez. Bir yüzücü kollarıyla suyu geriye iter, su da yüzücüyü öne iter. Bir roket yanmış gazları büyük bir hızla geriye doğru fırlatır; gazlar da roketi öne doğru iter. Bu yüzden roket, itebileceği bir hava olmayan uzay boşluğunda da çalışır.

Çarpışmalarda da etki-tepki geçerlidir. Bir kamyonun ön camına çarpan bir sinek, cama ne kadar kuvvet uygularsa cam da sineğe o kadar kuvvet uygular. Sonuçların bu kadar farklı olmasının nedeni kuvvetlerin farklı olması değil, kütlelerin farklı olmasıdır; aynı kuvvet küçük kütleli sineğin hareketini çok daha büyük ölçüde değiştirir.

Dengeleyen kuvvet mi, etki-tepki mi?

Masanın üstünde duran bir kitabı düşünelim. Kitaba iki kuvvet etki eder: yerin kitabı aşağı çekmesi (ağırlık) ve masanın kitabı yukarı itmesi. Bu iki kuvvet eşit ve zıttır, ama bir etki-tepki çifti değildir: ikisi de aynı cisme, kitaba etki eder ve türleri farklıdır. Bunlar birbirini dengeleyen kuvvetlerdir ve kitabın durmasını birinci yasa açıklar.

Kitabın ağırlığının tepkisi, kitabın yeri yukarı doğru çekmesidir. Masanın kitabı itmesinin tepkisi ise kitabın masayı aşağı doğru itmesidir. Her etki-tepki çiftinde iki cisim yer değiştirir: "A, B'yi iter" ifadesinin tepkisi "B, A'yı iter" ifadesidir. Bir kuvvet çiftinin etki-tepki olup olmadığını anlamak için bu cümleyi kurmak yeterlidir.

Soru çözme sırası

Önce soru hangi cismi soruyor, o belirlenir ve o cisme etki eden kuvvetler listelenir. Hareket durumu değişmiyorsa net kuvvet sıfırdır ve birinci yasa kullanılır. İki cisim arasındaki kuvvetler soruluyorsa üçüncü yasa uygulanır ve kuvvetler eşit alınır; etkilerin farkı kütlelerle açıklanır.

Örnek 1 — Eylemsizlik

Soru: Duran bir otobüs aniden hareket ettiğinde ayaktaki yolcuların geriye sendelemesinin nedeni nedir?

• A) Otobüsün yolcuları geriye itmesi
• B) Yolcuların ağırlığının artması
• C) Yolcuların durgun kalma eğilimi
• D) Havanın direnci
• E) Yerin tepki kuvveti

Çözüm: Otobüs öne hızlanırken yolcuların gövdesi eski hareket durumunu, yani durgunluğu korumaya çalışır. Cevap: C.

Örnek 2 — Sabit hız

Soru: Düz bir yolda hızını hiç değiştirmeden ilerleyen bir aracın motoru 2400 N'luk ileri kuvvet uyguluyor. Araca etki eden toplam direnç kuvveti ne kadardır?

• A) 1200 N
• B) 4800 N
• C) Sıfır
• D) 2400 N
• E) Bilinemez

Çözüm: Hız sabit olduğundan net kuvvet sıfırdır; direnç ileri kuvveti dengeler. Cevap: D.

Örnek 3 — Etki-tepki

Soru: Bir öğrenci 40 N'luk kuvvetle bir duvarı itiyor. Duvarın öğrenciye uyguladığı kuvvet nedir?

• A) 40 N, öğrenciye doğru
• B) 20 N, duvara doğru
• C) Sıfır
• D) 80 N, öğrenciye doğru
• E) 40 N, duvara doğru

Çözüm: Tepki kuvveti etkiyle eşit büyüklükte ve zıt yöndedir. Cevap: A.

Örnek 4 — Çift ayırt etmek

Soru: Masadaki bir vazonun ağırlığının tepki kuvveti hangisidir?

• A) Masanın vazoyu yukarı itmesi
• B) Vazonun masayı aşağı itmesi
• C) Masanın yeri itmesi
• D) Havanın vazoyu kaldırması
• E) Vazonun yeri yukarı çekmesi

Çözüm: "Yer vazoyu çeker" ifadesinin tepkisi "vazo yeri çeker" ifadesidir. Cevap: E.

• Hareketin sürmesi için kuvvet gerektiğini sanmak. Sabit hız için net kuvvet sıfır olmalıdır.
• Eylemsizliği bir kuvvet sanmak. Eylemsizlik cismin özelliğidir, ölçüsü kütledir.
• Ağırlık ile masanın tepkisini etki-tepki çifti sanmak. İkisi de aynı cisme etki eder; dengeleyen kuvvetlerdir.
• Etki ile tepkinin birbirini yok ettiğini düşünmek. Farklı cisimlere etki ettikleri için toplanmazlar.
• Büyük cismin daha büyük kuvvet uyguladığını sanmak. Kuvvetler eşittir; etkiler kütleye göre farklıdır.