BÖLÜM 4: MADDESEL NOKTANIN KİNETİĞİ: İMPULS ve MOMENTUM 4.1. Giriş Bir önceki bölümde, hareket denklemi F = ma nın, maddesel noktanın yer değiştirmesine göre integrasyonu ile elde edilen iş ve enerji denklemlerini ele aldık. Hız değişimlerinin yapılan iş cinsinden ya da enerjideki toplam değişim cinsinden doğrudan ifade edilebileceğini gördük. Bu bölümde ise, hareket denklemini zamana göre integre edip, impuls ve momentum denklemlerini elde edeceğiz. Uygulanan kuvvetlerin çok kısa zaman zarfında (çarpışma problemlerinde olduğu gibi) veya belirli zaman aralıklarında etkimesi durumunda, impuls ve momentum denklemleri birçok problemin çözümünde büyük kolaylık sağlar. 4.2. Doğrusal İmpuls ve Momentum Uzayda genel eğrisel hareket yapan m kütleli maddesel noktayı göz önüne alalım (Şekil 4.1). Maddesel noktanın konumu O sabit referans sistemi merkezinden ölçülen r konum vektörü ile tanımlanabilir. Maddesel noktanın hızı dir ve daha öncede vurgulandığı üzere hız vektörü yörüngeye teğettir. m kütleli maddesel nokta üzerine etkiyen tüm kuvvetlerin bileşkesi, maddesel noktanın ivmesi yönündedir. Şimdi maddesel noktanın temel hareket denklemini aşağıdaki gibi yazabiliriz, (4.1) Burada kütle ve hızın çarpımı maddesel noktanın doğrusal momentumu G = mv olarak tanımlanır. Denklem 4.1, bir maddesel noktanın üzerine etkiyen kuvvetlerin bileşkesinin, maddesel noktanın doğrusal momentumundaki zamana bağlı değişimine eşit olduğunu ifade eder. SI birim sistemine göre doğrusal momentumun birimi kg m/s = N s dir. 1
Şekil 4.1 Denklem 4.1 dinamikteki en yaralı ve önemli bağıntılardan biridir ve maddesel noktanın m kütlesi zamana bağlı olarak değişmediği sürece geçerlidir. Denklem 4.1 skaler bileşenleri cinsinden aşağıdaki gibi yazılabilir: (4.2) Bu denklemler birbirinden bağımsız uygulanabilir. Doğrusal İmpuls-Momentum İlkesi Hareketin gerçekleştiği t 1 - t 2 zaman aralığı içerisinde, bileşke kuvvet in maddesel noktanın momentumu üzerindeki etkisini tanımlamak üzere, Denklem 4.1 zaman göre integrali alınabilir. Buna göre, Denklem 4.1 in her iki tarafını dt ile çarparak elde edilir ve t 1 den t 2 ye kadar integrali alınırsa, (4.3) 2
bağıntısı elde edilir. Burada G 1 = mv 1 ve G 2 = mv 2 sırası ile t 1 ve t 2 anındaki doğrusal momentumdur. Kuvvet ile zamanın çarpımı ( ΣF dt ) kuvvetin doğrusal impulsu olarak tanımlanır ve Denklem 4.3, m kütlesi üzerindeki toplam doğrusal impulsun, maddesel noktanın doğrusal momentumundaki değişime eşit olduğunu ifade eder. Denklem 4.3 alternatif olarak, (4.4) formunda yazılabilir. Bu ifade cismin ilk durumundaki doğrusal momentumun artı ona etkiyen doğrusal impulsun son durumdaki doğrusal momentuma eşit olduğunu ifade eder. Denklem 4.4 ün skar bileşenleri (4.5) Bu üç skaler impuls-momentum denklemi birbirinden tamamen bağımsızdır. Denklem 4.4 ile verilen impuls-momentum ilkesi Şekil 4.2 deki gibi grafiksel olarak gösterilebilir. Bu gösterime impuls-momentum diyagramı adı verilir. Birinci çizim başlangıç momentumu mv 1 i ya da onun bileşenleri, ortadaki çizim, tüm dış doğrusal impulslar ya da bileşenleri, son çizimde ise son durumdaki momentumu mv 2 yi ya da onun bileşenleri gösterilir. 3
Şekil 4.2 Bir maddesel noktanın üzerine uygulanan kuvvetin deneysel ölçümler ya da başka yaklaşık yöntemler ile belirlenen, zamana bağlı olarak değiştiği durumlar vardır. Örneğin, eğer belirli bir yönde bir maddesel noktanın üzerine etkiyen F kuvveti t zamanına bağlı olarak Şekil 4.3 de gösterildiği gibi değişiyor ise, t 1 - t 2 zaman aralığı içerisinde, bu kuvvetin impulsu, eğrinin altında kalan alana eşittir. Şekil 4.3 4
Doğrusal Momentum Korunumu Belirli bir zaman aralığında maddesel noktanın üzerine etkiyen bileşke kuvvet ΣF = 0 ise, Denklem 4.3 den (4.6) doğrusal momentumun sabit kalması gerektiğini görürüz. Bu duruma maddesel noktanın doğrusal momentumunun korunumu denir. Örnek 4.1 5
Örnek 4.2 6
Örnek 4.3 7
Örnek 4.4 8
Örnek 4.5 9
4.3. Çarpışma İki cisim çok kısa bir zaman aralığında aralarında nispeten büyük temas kuvvetleri ortaya çıkmasına neden olacak şekilde birbirine çarptığında çarpışma oluşur. Çekicin çiviye veya golf sopasının topa vurması, çarpışma olayının bilinen örnekleridir. Genel olarak iki tip çarpışma vardır. Çarpışan iki maddesel noktanın kütle merkezleri, maddesel noktaların kütle merkezlerinden geçen doğrultu boyunca hareket ediyor ise merkezi çarpışma oluşur (Şekil 4.4a). Bu doğrultuya çarpışma doğrultusu adı verilir. Maddesel noktaların biri ya da her ikisinin hareket doğrultusu, çarpışma doğrultusu ile açı yapıyor ise, bu durumda eğik çarpışma meydana gelir (Şekil 4.4b). Temas düzlemi Temas düzlemi Çarpışma doğrultusu Çarpışma doğrultusu (a) Şekil 4.4 (b) 4.3.1. Merkezi Çarpışma Merkezi çarpışma mekaniğini analiz etmek üzere v 1 ve v 1 hızları ile giden m 1 ve m 2 kütleli iki kürenin doğrusal hareketini göz önüne alalım (Şekil 4.5). (a) Eğer v 1 > v 2 olması durumunda çarpışma meydana gelir. (b) İlk temastan sonra, kısa bir süre boyunca küreler arasındaki temas alanının artık büyüyemeyeceği bir duruma kadar artan deformasyon oluşur. Bu anda, her iki küre de aynı v 0 hızıyla hareket ederler (Şekil 4.5b). Temasın geri kalan kısmında, eski hale geri 10
dönme süresi oluşur. Bu süre içerisinde temas alanı sıfıra düşer ve küreler birbirinden ayrılır. (c) Küreler birbirlerinden ayrıldıklarında artık yeni v 1 ' ve v 2 ' hızlarına sahiptirler ve burada v 1 ' < v 2 ' olması gerekir (Şekil 4.5c). Tüm hızlar keyfi olarak sağa doğru pozitif kabul edilmiştir ve sola doğru olan hızlar eksi olacaktır. Eğer çarpışma çok şiddetli değil ise ve küreler yeterince elastik ise, eski hale geri dönüş süresi sonunda küreler başlangıçtaki şekillerine geri döneceklerdir. Ancak, aşırı şiddetli bir çarpışma ve yeterince elastik olmayan cisimler söz konusu ise kalıcı deformasyon meydana gelebilir. Çarpışma sırasında temas kuvvetleri eşit ve ters yönlü olduğundan, sistemin doğrusal momentumu değişmez. Dolayısıyla, sistemi için doğrusal momentum korunum ilkesini yazdığımızda, (4.7) ifadesi elde edilir. Çarpışma sırasında temas kuvvetlerine nispeten kürelerin üzerlerine etkiyen diğer kuvvetlerin çok küçük olduğunu kabul ederek ihmal ediyoruz. Şekil 4.5 11
Geri Sıçrama Katsayısı Çarpışma problemlerinde v 1 ve v 2 başlangıç hızları ve kütleler bilinir bu durumda Denklem 4.7 v 1 ' ve v 2 ' iki bilinmeyen içerir. Son durumdaki v 1 ' ve v 2 ' hızlarını bulabilmek için bir denkleme daha ihtiyaç vardır. Bu denklem, her bir küreye impuls ve momentum ilkesi uygulanarak elde edilebilir. F r ve F d Şekil 4.6 da görüldüğü gibi, sırası ile eski hale geri dönme ve deformasyon süreleri boyunca temas kuvvetlerinin şiddetlerini temsil etsin. m 1 küresi için deformasyon süresinde impuls ve momentum ilkesi uygulanırsa, (4.8) elde edilir. Geri dönme süresi için, (4.9) elde ederiz. Şekil 4.6 12
Geri dönme impulsunun deformasyon impulsuna oranı geri sıçrama katsayısı, e olarak tanımlanır. m 1 küresi için bu değerin, (4.10) olduğu görülür. Benzer şekilde, m 2 küresi için deformasyon süresi ve geri dönme süresi boyunca impuls ve momentum ilkesi uygulanırsa, (4.11) (4.12) elde edilir. m 1 küresi için geri sıçrama katsayısı, e (4.13) olarak elde edilir. Bu denklemler elde edilirken, deformasyon süresi t o olarak, toplam temas süresi ise t olarak alınmıştır. Denklem 4.10 ve 4.13 arasında v 0 yok edilerek e ifadesi için, (4.14) elde edilir. Çarpışmadan sonraki v 1 ' ve v 2 ' hızları 4.7 ve 4.14 Denklemleri kullanılarak hesaplanabilir. 13
Çarpışma teorisine göre e = 0 1 arasında değerler alır (Şekil 4.7). e = 1 değeri, iki parçacığın eski hallerine geri dönme kapasitelerinin deforme olma eğilimlerine eşit olduğu ya da deformasyon impulsu geri dönme impulsuna eşit olduğu anlamına gelir. Bu durum, enerji kaybını olmadığı tam elastik çarpışma olarak bilinir. Öte yandan, e = 0 değeri ise, parçacıkların çarpışmadan sonra birbirine takılı kaldıkları ve enerji kaybını maksimum olduğu tam plastik ( ya da inelastik) çarpışma durumunu tanımlar. Bu durumda, geri dönme impulsu yoktur. Şekil 4.7 4.3.2. Eğik Çarpışma Çarpışan parçaların biri veya her ikisi, çarpışma çizgisiyle bir açı yapıyorsa eğik çarpışma meydana gelir. İki pürüzsüz parçacık arasında eğik çarpışma meydana geldiği zaman, parçacıklar, büyüklüğü ve doğrultusu bilinmeyen hızlarla birbirinden ayrılırlar (Şekil 4.8). Başlangıç hızlarının bilinmesi koşulu ile problem dört bilinmeyen içermektedir. Bu blinmeyenler, (v 1 ') n, (v 1 ') t, (v 2 ') n, (v 2 ') t dir. Bu dört bilinmeyeni bulmak için dört denkleme ihtiyaç vardır. Bu dört denklem aşağıdaki gibi elde edilir: 14
m 1 (v 1 ') n m 1 m 1 (v 1 ) t m 1 m 1 m 1 (v 1 ') t m 1 (v 1 ) n m 2 (v 2 ) n Fdt Fdt m 2 (v 2 ) t m 2 (v 2 ') t m 2 m 2 m 2 Şekil 4.8 m 2 (v 2 ') n 15
(1) n - yönünde sistemin momentumu korunur: (4.15) (2) - (3) t yönünde iki maddesel nokta içinde impuls olmayacağı için her bir maddesel nokta için t yönündeki momentum korunur: (4.16) (4.17) (4) Merkezi çarpışmada olduğu gibi, geri sıçrama katsayısı geri dönme impulsunun deformasyon impulsuna pozitif oranıdır: (4.18) Son durumdaki dört hız bileşeni belirlendikten sonra Şekil 4.8 deki ve rahatlıkla bulunur. 16
Örnek 4.6 17
Örnek 4.7 18