5N Newton un hareket yasaları

Transkript

1 5N Newton un hareket yasaları 5.1 Kuvvet kavramı 5.2 Newton un birinci yasası ve eylemsizlik çerçeveleri 5.3 Kütle 5.4 Newton un ikinci yasası 5.5 Yerçekimi kuvveti ve ağırlık 5.6 Newton un üçüncü yasası 5.7 Newton yasalarının bazı uygulamaları 5.8 Sürtünme kuvvetleri Küçük bir bot böyle büyük bir yük gemisini nasıl çekebilir? 1

2 51Kuvvetkavramı 5.1 Kuvvetle ilgili olarak herkesin günlük yaşamından bir deneyimi vardır. Bu deneyimler sandalyenin kaldırılıp bir yere taşınması, kitabı yerinden kadırılması veya futbol topuna vurularak onu hareketlendirmek gibi aktivitelerdir. Bunları yaparken cisimlere (kas) kuvveti uygular ve onların hızlarını değiştiririz. Demek ki kuvvet her zaman harekete neden olur. Bazen hareket ettiremediğiniz i büyüklükte üklükt cisimlerede kuvvet uygularız. 2

3 Toplam kuvvet Birden fazla kuvvet bir cisme etki ederse cisim nasıl hareket eder? Eğer cismin hızında değişme oluyorsa ona bir etki (kuvvet) ediyordur. Net kuvvet toplam kuvvet veya bileşke kuvvet olarak isimlendirilir. Bir cisme etki eden kuvvetler cismin hızını değiştiremiyorsa ğ ş cisme etki eden toplam kuvvet sıfırdır. Cisim dengededir. 3

4 Değişik kuvvetler 4

5 Temel Kuvvetler (1) Cisimler arası gravitasyonel kuvvetler, (2) Elektrik yükleri arasındaki elektromagnetik kuvvetler, (3) Atom altı parçacıklar arası nükleer kuvvetler, (4) Radyoaktif parçalanmalar esnasındaki zayıf kuvvetler, Klasik fizik sadece gravitasyonel ve elektromagnetik kuvvetleri inceler. 5

6 Kuvvet nasıl ölçülür? 6

7 5.2 Newton un birinci yasası ve eylemsizlik çerçeveleri Hava masasında masanın tabanından yukarı doğru hava üflendiğinde ğ cisim havada asılı gibi kalır ve herhangi bir kuvvet etki etmezse cisim olduğu yerde kalır. Cisimler arasında etkileşme olmazsa cisim ivmelenmez. Yani cisme etki eden kuvvetlerin toplamı sıfır ise cisim eylemsiz ise öylece kalır, sabit bir hıza sahipse aynı hızla yoluna devam eder. 7

8 53Kütle 5.3 Farklı cisimlere aynı büyüklükte kuvvet uygulanmasına rağmen hızları farklı isebufarklılık neden oluşur veya kaynaklanır? Cismin ivmelenmesine karşı koyan niceliği kütle olarak isimlendiririz. 8

9 Örnek 5.1-Kütle İki nesneye aynı kuvvet uygulandığında m 1 kütlesine a 1, ivmesi kazandırılırken, m 2 kütlesine a 2. ivmesi kazandırılır. Cisimlerin kütleleri arasındaki oran aşağıdaki gibidir: m 1 a =----- m 2 a 1 9

10 53Kütle 5.3 Kütle nesnelerin ayrılmaz bir parçasıdır ve belirli bir şekli yoktur. Kütle şeklin boyutunu, miktarını, yani sayısını belirten bir niceliktir. Yönelimi yoktur. Kütle skaler bir niceliktir. 10

11 54Newtonunikinciyasası 5.4 Bir cisme etki eden kuvvetlerin toplamının sıfırdan farklı olduğu durumda cismin hareket eder. Bir cisme etki eden kuvvet, cismin ivmesi ve kütlesi ile doğru orantılıdır. F = ma F x = ma, F y = ma, F z = ma 11

12 Kuvvet birimi SI birim sisteminde kuvvetin birimi Newton dur. 1 kg kütleye 1 m/s 2 ivme kazandırılırsa böyle bir kütleye 1 Newton (N) luk kuvvet etkidiği söylenir. 1 N = 1 kg 1 m/s 2 12

13 Kütle, ivme ve kuvvet birimleri Kütle ivme Kuvvet SI kg m/s 2 N = kg m/s 2 U.S. slug ft/s 2 lb = slug ft/s 2 1 N = lb. 1 pound = 1 slug 1 ft/s 2 1N ¼ lb 13

14 Örnek 5.2-Hokey diski Kütlesi 0.3 kg olan bir hokey diski buz üzerinde sürtünmesiz hareket etmektedir. Bu hokey diskine aynı anda iki hokey sopa ile vurulmaktadır. F 1 kuvvetinin büyüklüğü 5.0 N ve F 2 kuvvetinin büyüklüğü ise 8.0 N dur. Hokey diskinin ivmesinin büyüklüğünü ve yönünü belirleyiniz. 14

15 Örnek 5.2-Hokey diski 15

16 Gravitasyonel kuvvet ve ağırlık Bütün cisimler dünya tarafından çekilirler. Dünya tarafından oluşturulan bu yerçeki kuvveti F g ile gösterilir. Kuvvet dünyanın merkezine doğrudur ve nesnenin ağırlığı olarak isimlendirilir. Daha önce serbest düşen cisimlerin ivmesinin g ve dünya merkezine doğru ğ olduğunu ğ belirtmiştik. ş Newton un ikinci yasası F = ma idi. Serbest düşen m kütlesinin ivmesi a = g ise F = F g, yazılabilir. F g = mg. 16

17 Ağırlığın değişimi g, nin değişken olmasından dolayı bir cismin ağırlığı deniz seviyesinden yüksekliğe göre değişir. Yüksekli arttıkça cismin ağırlığı azalır. Örneğin deniz seviyesinde kg (veya N) olan bir yapı blogu New York taki Empire State Binasının en üstünde 9800 N dur. Bir öğrencinin kütlesi 70.0 kg ise ağırlığı g = 9.80 m/s 2 alınınca F g =mg = 686 N (yaklaşık 150 lb). Bir dağın tepesinde ise g = 9.77 m/s 2, şeklinde ölçülmüştür. Bu durumda öğrencinin ağırlığı 684 N dur. Diyet yapmadan kilo vermek ne güzel. 17

18 Ağırlık değişimi Astronot t Edwin Aldrin in sırtındaki yaşam ünitesi dünyada 300 lb iken ayda bu ünitenin ağırlığı ğ ğ 50 lb dir. Bu astronot dünyada antreman yaparken 30 lb lik yüklerle çalışması daha doğrudur. 18

19 Asansör Bu deneyimi çoğunuz yaşamıştır. Bir asansörde yukarı çıkarken elinizdeki yük veya ağırlığınız sanki artıyor gibi olurken, asansör ile aşağı doğru giderken bunların biraz hafiflediğini hissetmişsinizdir. 19

20 Newton un üçüncü yasası İki nesne birbiri ile etkileştiğinde 1nci nesnenin 2nci nesneye uyguladığı ğ kuvvet F 12 ise 2nci nesne 1nci nesneye aynı büyüklükte ve zıt yönde F 21 kuvveti uygular. F 12 = -F 21 Kuvvet cisimler arası etkileşmeden oluşur. Tek başına kuvvetten bahsetmek anlamsızdır. 20

21 Newton un üçüncü yasası 21

22 Newton un üçüncü yasası 22

23 Dağcı İpteki T gerilmesi (yukarı doğru) ile dağcının ağırlığı (aşağı doğru) ters yönlerdedir. 23

24 Bir nesnenin ivmesi sıfır ise o parçacık için dengededir denir. Hafif bir zincirle tavana asılmış bir avizeyi düşünün. Şekilde serbest cisim diyagramı lamba üzerindeki net kuvveti göstermektedir. Lambaya etki eden kuvvetler aşağı ş ğ doğrultuda olan yerçekimi kuvveti F g ve yukarı yönelmiş olan zincirdeki gerilmeyi gösteren T Dengedeki nesneler kuvveti gösterilmektedir. 24

25 Kuvvet etki eden cisimler Üzerine kuvvet etki ederek ivmelendirilen cismi bir nokta gibi kabul edersek sistemler daha kolay 25 incelenebilecektir.

26 Problem çözümü için Problemin resmini çiziniz. Cisim üzerine etkiyen kuvvetlerin cismi dengede d tutup t ( F=0) tutmadığına t ğ ( F=ma) karar veriniz. Problemin kuvvet diyagramını çiziniz. Kuvvetleri seçtiğiniz koordinat sistemine göre yeniden düzenleyiniz. Eksenler üzerindeki kuvvetler için Newton un ikinci yasasını uygulayınız. Denklem sistemini çözünüz. Sonuçlarınızı kontrol ediniz. Sonuçlar mantıklı geliyorsa çözümü kabul ediniz. 26

27 Örnek 5.3-Trafik lambası Kuvvet x-bileşeni y-bileşeni T 1 T 1 cos 37.0 T 1 sin 37.0 T 2 T 2 cos 53.0 T 2 sin 53.0 T N Denklem sistemi F x =-T 1 cos T 2 cos 53.0 = 0 F y = T 1 sin T 2 sin N = 0 T 1 = 73.4 N ve T 2 = 1.33T 1 = 97.4 N 27

28 Eğimli yoldaki araba 28

29 Eğimli yoldaki araba 29

30 Örnek 5.4-Blokların hareketi 30

31 Örnek 5.4-Blokların hareketi 31

32 Örnek 5.5-Asansörde 5 tartım 32

33 Örnek 5.5-Asansörde 5 tartım 33

34 Örnek 5.6-Atwood makinası İki cisim kütlesiz bir iple birbirlerine sürtünmesiz makaradan geçirilerek bağlanmıştır. Bu tür sistemlere Atwood makinası denir. Bu tür bir cihaz laboratuvar ortamında serbest düşmede ivme hesaplarını bulmak için kullanılır. Cisimlerin ivmelerinin büyüklüğünü ve ipteki gerilme hesaplanır. 34

35 Örnek 5.6-Atwood makinası (a) İki nesne (m 2 + m 1 ) birbirlerine kütlesiz iple ve makara ile ip arasında sürtünme olmadığı kabul edilerek şekildeki gibi bağlanmıştır. (b) Serbest-cisim diyagramları. 35

36 Örnek 5.6-Atwood makinası Denklemleri yazarken dikkat edilecek şey işaret seçiminin doğru yapılmasıdır. Yukarı yönü + (pozitif), aşağı yönü (negatif) olarak seçilmelidir. lidi 36

37 Örnek 5.7-Makaralı sistem Sürtünmesiz makaradan geçirilen ipin bir ucuna kütlesi m 1 ve diğer ucuna kütlesi m 2 olan cisimler bağlanmıştır. ğ ş Blok sürtünmesiz eğik ğ düzlem üzerindedir. İki cismin ivmesini hesaplayınız. 37

38 Örnek 5.7-Eğik düzlem ve makaralı sistem 38

39 Sürtünme kuvvetleri Bir nesne bir yüzey üzerinde veya su, hava gibi akışkan ş içinde hareketi engellenecek şekilde çevrelendiği bu ortam ile etkileşir. Bu şekildeki direnç etkisine sürtünme kuvveti etkisi denir. Günlük hayatımızda yürümemiz, koşmamız, tekerlekli araçların hareketi sürtünme kuvveti ile sağlanır. 39

40 Sürtünme kuvveti (a) Çöp tenekesine küçük kuvvet uygulandığında statik sürtünme uygulanan bu kuvvete eşittir. (b) Uygulanan kuvvet statik sürtünme kuvvetinden büyük ise çöp tenekesi sağa doğru ivmeli harekete başlar. (c) Sürtünme kuvvetinin uygulanan kuvvete göre değişimini gösteren grafik (f s,max > f k ) 40

41 Sürtünme kuvveti Temas halindeki iki yüzey arasındaki statik sürtünme f s µ s n şeklindedir. Denklemdeki µ s -boyutsuz statik sürtünme katsayısı ve n ise yüzeye dik kuvvettir. f s = f s,max µ s n İki yüzey arasındaki kinetik sürtünme f k =µ k n şeklindedir. µ s (statik sürtünme) ve µ k (kinetik sürtünme) katsayıları yüzeye bağlı niceliklerdir ve µ k katsayısı µ s den daima küçüktür. Tipik değerlerin çoğu ğ 0.03 ile 1.0 arasında değişir. ğ ş Sürtünme kuvvetinin yönü yüzeye paralel ve hareket doğrultusuna ters yöndedir. Sürtünme olayı yüzeylerin alanına bağlı değildir, sadece ağırlıklarına bağlıdır. 41

42 Sürtünme katsayıları (statik ve kinetik) µ s µ k Çelik üzerinde çelik Çelik üzerinde aluminyum Çelik üzerinde bakır Beton üzerinde kauçuk Tahta üzerinde tahta Cam üzerinde cam Islak kar üzerinde yağlı tahta Kuru kar üzerinde yağlı tahta 0.04 Metal üstünde metal (yağlı) Buz üzerinde buz Teflon üzerinde Teflon Eklem yerleri

43 Kızağı itelim mi çekelim mi? 43

44 Kızak İvmeli hareket edebilir mi? f at f kızak k >0 44

45 Statik sürtünme katsayısının deneysel olarak elde edilmesi Bir blok şekildeki gibi düzlemin eğikliğinin ğ ğ değiştirilebildiği ğ ş ğ θ eğim açısı ile düzlem üzerinde kaydırılmaya çalışılır. Bloğun tam kaymaya başladığı kritik θ c açısı bulunmaya çalışılır ve buradan statik sürtünme katsayısı µ s elde edilir. 45

46 Blok eğik düzlem üzerinde ivmeli Örnek 8-Kinetik sürtünme katsayısının hesaplanması harekete başladıktan sonra (sürtünme kuvveti f k = -µ k n) düzlemin eğikliğini belirleyen kritik θ c açısı azaltılmaya başlanır. ş Belirli bir θ c açı değerinde blok eğik düzlem üzerinde artık sabit hızla hareketine devam eder (blokun ivmesi sıfırdır). Denklem (1) ve (2) de f s yerine f k kullanılırsa kinetik sürtünme katsayısı elde edilir. 46

47 Örnek 5.9-Hokey diski Bir hokey diski buz üzerinde 20.0 m/s ilk hızla harekete başlıyorsa. Eğer disk buz üzerinde ve 115 m kaydıktan sonra duruyorsa buz ve disk arasındaki kinetik sürtünme katsayısını (µ k ) hesaplayınız. 47

48 Örnek 5.9-Hokey diski 48

49 Örnek 5.10-İki bloğun hareketi Sürtünmeli yüzey üzerinde m 1 kütleli bir blok kütlesiz bir ipin makaradan geçirilmesi ile m 2 kütleli li bir topa bağlanmıştır. m 1 kütleli li bloğa ğ F kuvveti θ açısı ile şekildeki gibi etkimektedir. µ k kinetik sürtünme katsayısı ise iki cismin ivmesini hesaplayınız. 49

50 Örnek 5.10-İki bloğun hareketi 50

51 Antilock Braking system Yol üzerinde ilerleyen bir arabanın tekeri kaymadan dönerse yol ile teker arasında maksimum statik sürtünme (µ s n) oluşur. Bu emniyetli sürüş için istenilen bir özelliktir. Çünkü teker yüzeyi ile yol arasında kayma olayı oluşmaz. Eğer teker yol üzerinde kaymaya başlarsa kinetik sürtünme (µ k n) oluşur. ş Arabayı emniyetli bir şekilde durdurmanın yolu sürtünmeyi artırmak yani tekerin dönerken arabanın yavaşlamasıdır. Böylelikle arabanın yön kontrolüde kaybedilmemiş olur. Sürücüler aniden frene çok kuvvetli bir şekilde basarak tekerlerin kilitlenmesine neden olurlar ve araba kaymaya başlayınca kontrol kaybedilir ve kazalar meydana gelir. Mühendisler bu olay üzerinde çalışarak frenlerin kilitlenmesini engelleyen AntilockBrakingSystem i gelistirmişlerdir. 51

52 Antilock Braking System Toyota Corolla nın verileri Başlangıç sürati Durma uzaklığı İvme (mi/h) (m/s) (ft) (m) (m/s 2 ) AutoWeek magazine, 48:22 23,

53 120 ABS du urma mes safesi (m) kayma yok kayma var hız (mi/h) Durma mesafesi Başlangıç sürati kayma yok kayma var (mi/h) (m) (m) AutoWeek magazine, 48:22 23,

54 ABS Fren sistemi 54

55 Tren in duvara etkisi duvarın trene etkisinden daha büyük. Tren bu hale nasıl gelmiştir? 55

56 Örnek 5.11-Soru Bir F kuvveti m 1 kütlesine uygulanınca ona 3.00 m/s 2 lik ivme kazandırmaktadır. Aynı kuvvet m 2 kütlesine uygulanınca bu kütleye 1.00 m/s 2 ivmesini kazandırmaktadır. (a) m 1 /m 2 kütleler oranı nedir? (b) m 1 ve m 2 kütleleri birleştirilirse F Kuvvetinin bu kütlelere kazandırdığı ğ ivmeyi hesaplayınız. 56

57 Örnek 5.11-Sorunun cevabı F = m 1 a = m 1 3 ve F = m 2 a = m 2 1 Aynı kuvvet farklı kütlelere uygulanırsa m 1 a = m 1 3 = m 2 a = m 2 1 buradan m 1 / m 2 = 1 / 3 (m 1 +m)a 2 = F = (1/3m 2 +m)a 2 = (4m 2 /3)a = F a = 3F/(4m 2 ) = 3m 2 1/(4m 2 ) = 3/4 m/s 2 57

58 Örnek 5.12-Soru 3.00-kg lık bir nesneye a = (2.00i j) m/s 2 lik bir ivme kazandırılmaktadır. Cisme etki eden kuvveti hesaplayınız. Cevap: F = ma = 3.00 (2.00i j) = 6.00i j Newton F = ( ) = Newton 58

59 Örnek 5.13-Soru F 1 ve F 2 kuvvetleri 5.00-kg lık bir nesneye etkimektedir. F 1 = 20.0 N ve F 2 = 15.0 N ise (a) ve (b) durumları için ivmeleri hesaplayınız. Cevap : (a) a = (F 1 + F 2 )/m = (20i+15j) / 5 = (4i+3j) ve a = ( ) = 25 = 5 m/s 2 (b) a = (F 1 + F 2 )/m = (20i+(7.5i+13j) / 5 = (27.5i+13j) ve a = ( ) = = m/s 2 59

60 Örnek 5.14-Soru Şekildeki sistemler dengededir. Ölçü aleti Newton a göre skalalandırılmıştır. Okunacak değerler neler olabilir? Makaralarda ve düzlemlerde sürtünmenin olmadığını kabul ediniz. a) T - mg = 0 ise T = mg = 5 x 10 = 50 N b) T mg = 0i ise T = mg = 50N ve kantardaki gerilme T = 2T = 2 x 50 = 100 N c) T mgsin(30) = 0 ise T= 5 x 10 x 0.5 = 25 N 60

61 Örnek 5.15-Soru Yandaki şeklin serbest cisim diyagramını çiziniz. Cisim ile eğik düzlem arasında sürtünme yoktur. Eğim ğ açısı θ = 15.0 dir. Cisim eğik düzlemin tepesinden durgun durumdan harekete başlar ve 2.00 m lik eğik düzlem üzerinden aşağıya doğru kayar. a) cismin ivmesini, (b) cismin en alt noktadaki hızını hesaplayınız. 61

62 Örnek 5.15-Cevap mg sin15º=ma N-mgcos15º=0 Sistemle ilgili denklemler yukarıdaki gibi ise (a) a = g sin15º = 2.6 m/s 2 (b) v 2 son = v 2 ilk + 2 a d = =10.4 v son = 3.22 m/s 62

63 Sürtünmesiz bir düzlem üzerindeki üç kütleye şekildeki gibi F = 18 N luk bir kuvvet m 1 kütlesi tarafından etkimektedir. m 1 = 2.00 kg, m 2 = 3.00 kg, m 3 = 4.00 kg olarak verilmektedir. (a) Kütlelerin sahip olduğu ivmeyi, (b) Her bloğa uygulanan bileşke kuvveti, (c) Bloklar arası kontak kuvvetlerini hesaplayınız. Örnek 16-Soru Cevap : a) F = i m i a = (m 1 + m 2 + m 3 ) a = ( ) a = 18 ifadesinden a = 18 / 9 = 2 m/s 2 kütleler sisteminin ivmesidir. b) m 2 kütlesine etki eden kuvvet aynı zamanda m 3 kütlesine de etki eder. İvmeleri ise biraz önce hesaplanan değerdir. Bu iki kütleye etki eden kuvvet ise F 2 = (m 2 + m 3 ) a = ( ) 2 =14 N, üçümcü kütleye etki eden kuvvet ise F 3 = (m 3 ) a = 4 2 = 8 N dur. 63 c) m 1 ile m 2 kütleleri arasındaki kuvvet 14 N, m 2 ile m 3 kütleleri arasındaki etkileşme kuvveti 8 N dur.

64 Örnek 5.16-Çekici araç Çamur içinde kalmış araba bir çekici araç tarafından 2500 N luk kuvvet ile çekilmektedir. Çekme halatının bir ucu arabaya diğer ucu çekiciye bağlanmıştır. Çekme halatı kuvveti A ve B kollarına dağıtmaktadır. A ve B çubukları üzerindeki kuvvetleri hesaplayınız. Kuvvetler için serbest cisim diyagramını çiziniz. 64

65 Örnek 5.17 Aşil tendonu Bir kişi ayak uçları üzerinde durmaya çalışırsa denge halinde aşağıdaki şekildeki (a) durumu ortaya çıkar. (b) deki şekil ise (a) dakinin benzeridir. F yerin itme kuvveti (yada kişinin ağırlığı ise) ise aşil tendonundaki T gerilmesini ve ayak tabanı üzerindeki H ve V kuvvetlerini hesaplayınız. 65

66 Örnek 5.17 Aşil tendonu T x + H F x = 0 => Tsin(30) + H - Fsin(30) = 0 T y V + F y = 0 => Tcos(30) - V + Fcos(30) = 0 Ortadaki nokta üzerindeki dönme momentlerinden aşağıdaki ifadeler yazılabilir: T y (L/4) = F y (3L/4) F = 70 kg ise T y = = kg Bu denklemden T = 210 kg 210 sin(30) + H - 70 sin(30) = cos(30) V + 70 cos(30) = 0 Bu denklemlerden H = = -70 kg V = kg olarak hesaplanır. 66

67 Örnek 5.18 Kol kası Bir kişi avucunun içinde ağırlığı 20 N olan bir kütle tutmaktadır. Kol kaslarına etki eden kuvvetler aşağıdaki ğ (a) ve (b) şekillerinde i d gösterilmektedir. Sistem dengede d ise (b) şeklinden yararlanarak kastaki gerilmeyi hesaplayınız. k.m ile belirtilen nokta kolun dirsekten aşağıdaki kısmının ağırlık merkezidir. Bu (b) şekline göre dengedeki sistem için kuvvet eşitlikleri (dönme dirsekte olmaktadır) aşağıdaki gibi olur: T kas cos(20) =0 T kas =4105 Newton olarak hesaplanır. 67