Dinamik Nedir

Dinamik, mekaniğin, cisimlerin devinimleri nedenleriyle birlikte inceleyen bölümüdür. Maddenin hareketinden söz-edildiğinde insanın hemen hemen tüm deneyimlerini kapsayan genel bir olaydan söz edilmiş olur. Nitekim rüzgar, nehirler, gökteki yıldızlar, hayvanlar, makineler ve insan, hareket eden maddelerdir, insanın yaşamını sürdürme olanağı kendisinin hareketine ve nesneleri hareket ettirmesine bağlıdır. Bütün bunlardan dolayı insan hareket olaylarına karşı özel bir dikkat göstermiştir, insandaki bu ilgi öyle belirgindir ki, bir cismin hareketini gözlemekle yetinmez; aynı zamanda dikkati onu, gözlenen hareketin nedenlerini araştırmaya iter.

Dinamik, hareketin nedenini anlamamıza yardımcı olur ve cisimleri istediğimiz gibi hareket ettirmeyi bize öğretir. Böylece dinamik, gezegenlerin ve yıldızların hareketini büyük bir kesinlikle önceden saptamamıza ve uzaya, gezegenlerarası uydular göndermemize olanak tanıyacak kadar güçlü ve duyarlı bir araç haline gelmiştir. Dinamiğin araştırma alanı evrenbilimden atom fiziğine ve katıların mika-niğinden gazların mekaniğine kadar uzanır.

Buna karşın dinamiğin temel ilkeleri az sayıda, basit ve bir anlamda bize yabancı olmayan niteliktedir. Gene de bu ilkeleri anlayabilmek için, dinamikte çok önemli bir rol oynayan kuvvet kavramım açıklığa kavuşturmak gerekir.

Kuvvet nedir? örneğin küçük bir arabayı harekete geçirmek çin onu ya itmek ya da çekmek gerekir. Ellerimizle cisimler üzerine uyguladığımız bu etkilere fizikte kuvvet denir. Fakat arabanın hareketi bizim yaptığımız etkiden başka, bir çekim hayvanı ya da bir motor yardımıyla da gerçekleştirilebilir. Bir yük kaldıraçla kaldırılabilir, bir taş sıkıştırılmış bir yayın serbest bırakılmasıyla fırlatılabilir. Bu etkilere de kuvvet denir. Genel olarak bir cisim üzerinde kas gücünün yaptığı etkilerin benzerini yapabilecek herhangi bir eyleme fizikte kuvvet denir. Bu eylemin yapısı herhangi bir biçimde olabilir. Hareket halindeki bir taşıta, gidişini engelleyerek etki eden hava direnci, Güneşin gezegenimiz üzerinde uyguladığı çekim ve hatta masa üzerine konulan bir cismin ağırlığına karşı koyarak onun yere daşmesini önleyen neden birer kuvvettir.

Fizikçilerin kuvvet dedikleri kavramı anladıktan sonra, dinamiğin en önemli konusu olan cisimlerin hareketi nasıl açıklanır sorusuna eğilebiliriz. Fakat ge

ride aydınlatılması gerekli önemli bir ayrıntı daha vardır. Bir karşılaştırma noktası: Hareket, daima bir karşılaştırma noktasına göre değerlendirilir. Örneğin bir yolcu, gitmekte olan trenin kompartımanına göre hareketsiz fakat yere göre hareket eder durumdadır. Aynı bir cisim gözlenmekte olduğu çeşitli karşılaştırma noktalarına göre çok farklı hareketler gösterebilir. Bu durumda şu sorun karşımıza çıkar. Hareket halindeki bir atlı karıncadan; gitmekte olan bir otomobilden ya da parkta oturduğumuz bir sıradan izlediğimiz cismin hareketlerini açıklamak dinamik için hep aynı kolaylık derecesini mi taşır? ■Bunun yanıtı, eğer hareket belli karşılaştırma sistemlerine göre gözlenecek olursa bir cismin davranışının daha kolay açıklanabileceğidir.

Durum böyle olunca, daha fazla ilerlemeden ilk önce hareket olaylarının incelenebileceği bir karşılaştırma sistemi seçmemiz gerekir. Alışkanlık sonucu, bir_ ağacın hareketsiz olduğundan, bir otomobilin hareket ettiğinden söz ederiz. Yani normal olarak bir cismin hareketini, durur gibi kabul ettiğimiz Dünyayı karşılaştırma noktası alarak inceleriz. Oysa dünya hareketsiz değildir. Çünkü kendi etrafında yir-midört saatte dönmekte ve Güneşin çevresindeki yıllık hareketini yıldızlara göre sanideye otuz kilometrelik bir hızla tamamlamaktadır. Gene de Dünyayla ilgili düşünce alışkanlıklarımızı fazla altüst etmemek için ve üstelik Dünya, dinamik yasalarının en basit bir hal aldığı karşılaştırma sistemlerinden biri olduğu için, Dünyayı karşılaştırma noktası olarak kabul edeceğiz.

Sürtünme: Artık bir cisim hareket ediyor ya da duruyor denildiğinde ne anlaşıldığını kesinlikle bildiğimizden, bir adım daha ileri gidebilir ve bir cismin hareketiyle o cisme etki eden kuvvetler arasında nasıl bir ilişki olduğunu sorabiliriz. Duran bir cisim üzerine kuvvet uygulandığında bu cisim harekete geçer. Uygulanan kuvvet ne denli büyükse, cisim o kadar hızlıbir hareket kazanır.

Hareket, cisme etki eden kuvvetin yönünde meydana gelir. Eğer cisim daha önceden hareket halindeyse ve kuvvet yan taraftan uygulanırsa cismin kuvvetin etki ettiği yöne saptığın: farkederiz. Eğer, kuvvet cismin hareketine karşıt yönde etki ederse, cisim durmaya eğilim gösterir. Uygulanan kuvvetin yoğunluğu ne kadar fazlaysa cisim o kadar çabuk durur.

O halde deneyler, serbestçe hareket edebilen bir cisme etki eden bir kuvvetin onu harekete geçirdiğini, durdurduğunu ya da izlediği yoldan saptırdığını göstermektedir. Harekete geçirici kuvvetler ortadan kalktıktan sonra cismin davranışı ne olur? Otomobilde giderken vitesi birdenbire boşa aldığımızı düşünelim. Motorun etkisi azalacağından otomobilin hızı giderek azalacak ve sonunda duracaktır. Bu ve benzer günlük deneyler etki eden kuvvet yokken bir cismin duracağını gösterirler; oysa durum böyle değildir.

Otomobilin kaçınılmaz olarak duracağını tartışmaya bile gerek yoktur. Fakat onun durmasının nedeni artık üzerine etki eden kuvvetlerin ortadan kalkışı değildir. Motorun etkisi bitince, otomobil duruncaya kadar ilerleyişine ters yönde etki ederek onu yavaşlatan başka kuvvetlerle karşı karşıya kalmaya devam eder. Bunlar hava tarafından karoseri üzerine, yer tarafından tekerlek lastiklerine ve tekerleklerin üzerine monte edilmiş bilye yataklar tarafından uygulanan sürtünme kuvvetleridir. O halde hiçbir kuvvetin etkisiyle karşılaşmayan bir cismin nasıl davrandığını bilebilmek için, sürtünmelerin en aza indirgendiği bir durumu gerçekleştirmek gerekir. Bir dağ gölünün buzlu yüzeyi, kaygan olduğundan, küçük bir dinamik deneyi için ideal bir ortamdır. Eğer göl yüzeyine ağır, metal bir yuvar koyup itecek olursak, yuvarın uyguladığımız kuvvet yönünde düz bir çizgi boyunca hereket ettiğini ve böylece çok az yavaşlayarak uzun bir yol aldığını görürüz. Bu yavaşlama, hava ve buzun yuvara uyguladıkları küçük sürtünme kuvvetlerinden ileri gelir. Eğer bu kuvvetleri tamamen yok edebilseydik, yuvar düz bir doğru boyunca hiç durmadan hareket ederdi.

Ancak deneyimizin saptadığımız amaca uygun olmadığı söylenebilir. Sürtünmeler yok edilse bile yuvar yine de bir kuvvetin etkisi altındadır. Bu kuvvet yuvarı, buzlu yüzey üzerinde tutan yerçekimi kuvvetidir. Bu gözlem doğru, fakat eksiktir. Nitekim yuvar üzerine bir başka kuvvet daha etki etmektedir. Bu kuvvet, biızun yuvar üzerine, onu tutarak uyguladığı kuvvettir. Bu kuvvetler birbirlerini yok eder, böylece yuvar sanki hiç bir kuvvetin etkisine uğramamış gibi hareket eder.

İvme: Bir cismin üzerine hiçbir kuvvet etki etmediğinde ya da onu etkileyen kuvvetler karşılıklı olarak birbirlerini yok ettiklerinde cismin nasıl davrandığım gördük. Cisim ya hareketsiz kalır ya da değişmeyen bir hızla düzgün doğrusal olarak hareket eder. Cisim yeniden bir kuvvetin etkisi altına girer girmez hareketi değişir. Kuvvetin etki ettiği yön ve doğrultuda ivme kazanır. Fizikte, bir cisim ivme kazanır denildiğinde, hızının ya da hareket yönünün ya da her ikisinin değiştiği anlaşılır. Kuvvetin meydana getirdiği ivmenin sadece hız değişikliğinden ibaret olduğu duruma ömek olarak yer çekimi kuvvetinin etkisi altında bir cismin düşmesi gösterilebilir. Hareketin önü (yere dik) kuvvetin etkisinin yönü ile çakışır ve cismin izlediği yol doğrusal olur.

Buna karşılık bir cisim, hareket yönüne göre yandan gelen bir kuvvetin etkisi altında kalırsa eğri bir yol boyunca hareket eder. Dünya çevresinde adeta dairesel bir yörünge çizen Ayın hareketi böyle bir örnektir. Bunun nedeni gezegenimizin Ayın hareket yönüne dik bir yönde yer çekimi kuvveti uygulamasıdır. Böylece Aya, Düriya tarafından çaprazlama bir ivme ve-irilmiş olur. Ayın hareketindeki !sürekli sapmayla kendini gösteren bu ivme, Ayın çizdiği yörüngenin eğriliğini oluşturur. Eylemsiz kitle: Bir cisim üzerine etki eden kuvvetin yoğunluğu iki katma çıkarılırsa ivme iki kat artar. Bir cisme verilen ivme (orantılı olarak) etki eden kuvvetin yoğunluğuna bağlıdır. Fakat aynı zamanda cismin bazı özelliklerine de bağlıdır. Verdiğimiz ivmenin etkisiyle bir tekerlekli araba, bir otomobile göre daha çabuk harekete geçer (yani daha büyük ivme kazanır). Her cisim kuvvet etkisiyle ivme kazanmaya karşı bir eylemsizlik ya da "tembellik" gösterir. Bu özelliğe eylemsizlik kitlesi denir ve cismin ağırlığıyla orantılı olur.

Kuvvet uygulanan cismin ağırlığı iki kat artırılırsa ivmesi yarıya iner. Başka bir deyişle bir kuvvetin bir cisme kazandırdığı ivme aynı cismin eylemsizlik kitlesiyle ters orantılıdır. Bir cismin kitlesi hızının artmasıyla çoğalır. Bir cisim saniyede onbin kilometrelik bir hıza ulaşana kadar kitledeki değişiklik fark edilemez. Bu hız aşıldığında (göreceli hızlar alanına girildiğinde) bu etki açık bir biçimde ortaya çıkar. Hız saniyede 297 bin kilometreye vardığında eylemsizlik kitlesi yedi kat artar. Yani cisme aynı ivmeyi verebilmek için ona başlangıçtakinden yedi kat daha büyük bir kuvvet uygulamak gerekir. Hız saniyede 298 bin kilometreye ulaştığında cisme verilmesi gereken kuvvet dokuz kat, saniyede 299 bin kilometrelik bir hıza varıldığında da on iki kat artar.

Cisme ışık hızına eşit (saniyede 300 bin kilometre) olacak şekilde ivme verilebilse, kitlesi uygulamada sonsuz olur. Dünyada, bir cismi bu sınır hızın üstünde hızlandıracak bir kuvvet düşünülemez.

Tepki: Karşılaştırma sistemimiz olan Dünyadan gözlediğimiz kuvvetlerin cisimlerin hareketleri üzerindeki etkisi ana hatlarıyla, yukarıdaki gibidir. Dinamikle ilgili bu kısa bilgiler, eğer başka bir sorun daha ele alınmazsa tamamlanmamış olur. Şimdiye kadar sayılan hallerde bir cisme etki eden kuvvetler herhangi bir biçimde başka bir cismin varlığına bağlıdır. Elarabasına verilen ivme kuvveti elden, yerçekimi kuvveti Dünyadan, sürtünme kuvveti hava ya da yerden ileri gelmektedir.

Bu kuvvetler etki ettikleri cismin bir başka cisimle karşılıklı etkisinden (dolaysız ya da belli bir uzaklıkta temas) ortaya çıkarlar. O halde karşılıklı etkileşme esnasında bir başka cisme ne olmaktadır? Bu ikinci cisim de bir kuvvetle karşılaşır. Buna tepki denir. Bu, ilk cisme uygulanan etkiye karşıt fakat eşit yoğunlukta bir etkidir. Bir demir parçasını çeken mıknatıs, aynı zamanda onun tarafından da çekilir (tepki). Ağır bir cismi aniden ittiğimizde bir tepkiyle karşılaşır ve gerileriz. Aynı şekilde, bir masanın dayanak düzlemi elimizin basıncına karşı bir kuvvet uygulayarak tepki gösterir ve onu etkisiz hale getirir.

Karşılaştırma sistemleri: Şimdi gözönüne aldığımız bütün kuvvetlerin cisimler arasındaki karşılıklı etkilerden ileri geldiği gerçeğine doğrudan doğruya bağlı bir durumu ele alabiliriz. Seçtiğimiz bir karşılaştırma sisteminde bir cism ancak bir kuvvetin etkisi altında, yani diğer bir cisimle karşılıklı etki halindeyse ivme kazanabilir. O ha.de ivme "gerçek" fiziksel bir sürecin tartışmaya yer vermez bir belirtisidir. Farklı bir karşılaştırma noktası seçmiş olsaydık (örneğin hızla dönen bir atlıkarınca) bu doğru olmazdı. Çünkü herhangi bir karşılıklı etkileşmeye uğramayan cisimler de ivme kazanabilirler. Bu durumda hareketin açıklanması hiç kuşkusuz daha karmaşık olurdu. Ayrıca tanımladığımız fizik yasaları eğer Dünya hareketsiz olsaydı ya da sabit bir hızla ve yıldızlara göre doğrusal bir hat üzerinde hareket etseydi kesinlikle geçerli olurdu.

Oysa durum böyle değildir. Fakat Dünya kendi çevresinde çok yavaş (diğer gökcisimlerinin hızlarına oranla) dönmekte ve Güneş çevresinde son derece geniş bir yörünge meydana getirmektedir. Böylece Dünya gezegeni dinamik biliminin ilkelerinin geçerliğini aksatmayacak bir biçimde ve dinamik kurallarına uygund avranmış olmaktadır.