Anahtar Kavramlar basit makine e ik düzlem kald raç makara diflli Yandaki fotoğraf, fotomontaj olabilir mi? Bir k z ö renci, ipi aşağı doğru çekerek bir kifliyi yukar ç karabilir mi? Okulunuzdaki bayrak direğini düşünün. p, bayrağa nasıl bağlanıyor? pi aşağı doğru çekerek bayrağı hem yukarı çıkarmak hem de aşağı indirmek nasıl mümkün oluyor? Boya kutuları bir tornavida yardımıyla açılabilir. Boya kutusunu açarken uyguladığınız kuvvetin yönü hangi tarafa doğrudur?, kutu kapağının neresine etki eder? Kapak hangi yöne doğru hareket eder? Kapağı açmak için tornavidayı kutunun neresine yerleştirmeliyiz? Bir bisikletin fren sistemini inceleyiniz. Frene uyguladığımız kuvvetin etkisi tekerleklere nasıl ulaşıyor? Günlük hayatımızda kuvvetin yönünün değiştirilmesinden faydalanılarak oluşturulmuş birçok araç ve gereç kullanırız. Bu araç ve gereçler bize iş yapma kolaylığı sağlar. Aşağıdaki resimleri dikkatle inceleyelim. Bu resimlerdeki aletlerin, uygulanan kuvvetin yönünü nasıl değiştirdiklerini anlamaya çalışalım. 82
ve Hareket Makineler İş Başında Vitesli bisikletlerde çok sayıda dişli çark bulunmasının sebebini biliyor musunuz? Bisiklet sürücüleri, düz yolda giderken veya yokufl çıkarken zaman zaman vites değiştirirler. Çünkü vites değiştirmek onların ne kadar kuvvet uygulayacaklar n belirler. Buna bağlı olarak pedalı çevirme sayısı da değişir. Bisikletin vitesi iki şekilde ayarlanabilir: 1. Yokuş çıkarken bisikletin vitesini değiştirerek zinciri, pedala ba l olan küçük dişli çarka veya arka tekerle e ba l büyük diflli çarka aktarırız. Bu durumda daha çok pedal çevirir ancak daha az kuvvet uygular z. 2. Düz yolda ise zinciri pedala ba l olan büyük diflli çarka aktarırız. Bu durumda pedal çevirme sayısı az, fakat uygulanan kuvvet daha büyük olur. Yukar daki örne imizde, pedala uygulanan kuvvetin artt oranda pedal n dönüfl say s n n azalmas ve pedal n dönüfl say s n n artt oranda uygulanan kuvvetin azalmas, mekani in alt n kural olarak bilinen bir ifade ile aç klan r. Bu kurala göre kuvvetten kazanç varsa yoldan kay p vard r, yoldan kazanç varsa kuvvetten kay p vard r. Söz konusu kural sadece bisiklet için değil, diğer makineler için de geçerlidir. Cımbızdan uçağa, penseden buldozere kadar binlerce makine hayatımızı kolaylaştırır. Makineler genel olarak; 1. Uygulanan kuvveti artırabilir. 2. Bir kuvvetin yönünü değiştirebilir. 3. Bir işin yapılma hızını değiştirebilir. 4. Bir enerji türünü, başka bir enerji türüne çevirebilir. Basit Makineler Herhangi bir işi yaparken kas kuvvetimizin yetersiz kaldığı hâllerde, imdadımıza basit makineler yetişir. Günlük hayatımızda yaptığımız işlerin çoğunu, bir araç yardımıyla gerçekleştiririz. Bir çivinin çakılması ya da sökülmesi gibi basit bir işte bile kas kuvvetimiz yeterli olmaz. Kaldı ki yapmak zorunda olduğumuz her iş, bir çivi çakmak ya da sökmek kadar basit değildir. Çok az parçadan oluşan ve yalnızca tek bir kuvvet çeşidini kullanan makineler, basit makine olarak adlandırılır. Basit makinelerle, uygulanan kuvvetin büyüklüğü ve yönü değiştirilerek iş yapma kolaylığı sağlanır. Bu tür makineler, insanoğlu tarafından binlerce yıldır kullanılmaktadır. 83
8. Etkinlik Gözlemleyelim, nceleyelim Ayn fli Daha Az le Yap yorum Bunlar Yapal m Tahta takozu sıranın üstüne koyalım. Dinamometremizi takozun bir kenarına takarak bu kenar 4 cm yukarı kaldıralım. Ne kadar kuvvet uyguladığımızı dinamometreden okuyalım (1. flekil). Desteği, takozun 2 cm kadar alt na yerlefltirelim. Takozun deste e yak n ucuna dinamometremizi takalım. Dinamometreyi, takozun di er ucu sıranın üzerinden 4 cm yükselinceye kadar çekelim. Bunun için ne kadar kuvvet uyguladığımızı dinamometreden okuyalım (2. flekil). Desteğimizin yerini dinamometre ba l uçtan yaklafl k 2 cm içeri alarak ayn ifllemi tekrarlayal m. Defterimize bir çizelge haz rlayarak ölçme sonuçlarımızı bu çizelgeye kaydedelim. Araç-Gereçler Araç ve Gereçler dinamometre cetvel tahta takoz veya tuğla üçgen kesitli bir destek Sonuca Varalım Her üç durumda da takozun ucunu 4 cm yükselten kuvvetin değeri aynı mıdır? Desteği kullanmak bize ne kazandırdı? hangi konumdayken dinamometrede okunan de er daha küçüktür? 2. flekil 1. flekil Makinelerin iş yapma kolaylığı sa lad n biliyoruz. Fakat bu durum, onların iş kazancı da sağlayacağı anlamına gelmez. Üstelik makineler kendi başlarına enerji de üretemez. Bir yerde çakılı olan çiviyi elimizle de söksek, pense ya da keser yardımıyla da söksek aynı işi yapmış oluruz. Basit makineler işi, uygulanan kuvvetin büyüklüğünü ve yönünü değiştirerek kolaylaştırır. Eğer bir iş yapılacaksa o işin yapılabilmesi için enerji kullanılmalı, bu işi makine yapacaksa ona enerji verilmelidir. Çünkü makineler, kendilerine verilen enerjiden daha fazla iş yapamazlar. Basit makineler, kendilerine verilen enerjiden daha fazla iş yapamadıklarına göre acaba nasıl oluyor da işlerimizi kolaylaştırıyor? Yaptığımız etkinlikte, bir destek kullanarak takozu daha az kuvvetle aynı yüksekliğe çıkardık. Bu durum, çakılı bir çiviyi çıkarırken keser kullandığımızda, uygulanan kuvvetin artmasına benzemektedir. Peki, keser, pense, ngiliz anahtarı, makara, vida ve tornavida gibi aletler uyguladığımız kuvveti nasıl artırır? 84
ve Hareket Kaldıraçlar Hepiniz çocuk parkında tahterevalliye binmişsinizdir. şte, bindiğiniz bu tahterevalliler, fen ve teknolojide kaldıraç olarak adlandırılmaktadır. Tahterevallinin iki kolu vardır ve bu kollar eşit uzunluktadır. Ağırlığı sizinkiyle aynı olan bir arkadaşınız, tahterevallide karşınıza geçerse birbirinizi dengelemiş olursunuz. Bunun sebebi tahterevallinin sabit noktalar üzerinde hareket etmesidir. Yandaki resimde görüldü ü gibi, tüm kaldıraçlar, destek denilen sabit noktalar üzerinde hareket eder. Tahterevalliye binmeden önce oturacağınız yeri nasıl ayarlıyorsunuz? Peki, tahterevalliye birlikte binece iniz arkadaşınız sizden ağırsa destek noktasına kim daha yakın oturmalı? Bir cetvel, silgi ve kitap kullanarak siz de sıranızın üzerinde bir kaldıraç yapabilirsiniz. Yaptığınız bu kaldıraçta sizin aşağı doğru ittiğiniz kola kuvvet kolu, kaldıracın destek ile kitap arasındaki koluna ise yük kolu adı verilir. olarak kullandığınız silginin yerini değiştirirseniz kuvvet kolunu da değiştirmiş olursunuz. Böylece, kitabı kaldırmak için uygulamanız gereken kuvveti de de ifltirebilirsiniz. Daha uzun bir kuvvet kolu kullandığınızda, kitabı daha az kuvvetle kaldırabildiğinizi fark ettiniz mi? l 2l 1 l 2 l 1 Yukarıdaki resimlerde, kaldıracın farklı şekillerde kullanılışı görülmektedir. Her iki resimde de l 1 kuvvet kolu, l 2 ise yük kolu olarak kabul edilir. lk resimde bir tahta takoz kullanılırken diğerinde takoz kullanılmamıştır. Fakat her ikisinde de kuvvet kolu, yük kolu ve destek noktaları bulunmaktadır. Günlük hayat m zda kullandığımız birçok aletin kaldıraç özelli i vardır. Bunların çalışma sistemleri, yukarıda örnek olarak verdiğimiz kaldıraçların çalışma sistemleriyle aynıdır. Kollarımız ve bacaklarımız bir kaldıraç gibi çalışır. Özellikle kollarımızın alt bölümleri kaldıraç mekanizmasına çok benzemektedir. 86. sayfadaki şekiller kolumuzun yük kolunu, kuvvet kolunu ve destek kısımlarını göstermektedir. 85
18 52. s. kolu kolu A B C A C B AC = kolu BC = kolu C = noktas 19 Deste in uygulanan kuvvet ile yük aras nda oldu u kald - raçlara kerpeten, keser, tahterevalli örnek verilebilir. Baz kaldıraçlarda destek kaldıracın bir ucunda, uygulanan kuvvet ise diğer ucundadır., bunların arasında yer alır. Fındık kıracağı, el arabası ve menteşeli kapılar bu tip kaldıraçlara örnektir. Baz kaldıraçlarda ise destek kaldıracın bir ucunda, yük ise diğer ucunda yer alır. Uygulanan kuvvet ikisinin arasındadır. Tenis raketi, cımbız, kürek gibi araçlar bu esasa göre yapılmıştır. 53. s. Bunlar Biliyor muydunuz? Anadolu nun birçok yöresinde engerek yılanına rastlanmaktadır. Engerek yılanlarının dişleri bir tür kaldıraçtır. Bu yılanların dişleri, ağız açıkken öne doğru çıkar; a z kapalı iken içeri doğru katlanır. 86
ve Hareket Makaralar Yandaki resimlerde inşaat işçilerinin kum dolu kovayı farklı şekillerde yukarı çektikleri görülmektedir. Buna göre iflçilerin kovay çekme flekilleri uygulanan kuvvetleri nas l etkiler? Çevrenizde gördü- ünüz inflaatlarda en çok 1 2 3 4 hangi resimdeki durumla karfl lafl rs n z? Kum dolu kovayı, yukarıya hangi işçi daha az kuvvet uygulayarak çıkarabilir? 2 ve 3 numaralı resimlerdeki işçilerin yaptıkları işler arasında, kuvvette kazanç açısından fark var mıdır? şçiler, kumu sırtlarında taşısalardı daha fazla mı iş yapmış olurlardı? Sabit Makara Sabit bir noktaya as lan ve dönerek cisimlerin hareket etmelerini kolaylaflt ran makaraya, sabit makara denir. 6 N 6 N den Yandaki resim, bir ağırlığın üç farklı şekilde büyük 6 N kaldırılışını göstermektedir. Resimdeki dinamometrelerden de anlaşılacağı gibi sabit makaralarda 6 N kuvvet kazancı yoktur. Bu tür makaralarda cisim, 6 N 6 N ancak kendi ağırlığına eşit bir kuvvetle kaldırılabilir. Bu makaralarda yoldan da bir kazanç sağlanamaz. Sabit makaralar, sadece kuvvetin yönünü ve doğrultusunu değiştirdikleri için iş yapma kolaylığı sağlar. nşaatlarda tuğla, kum, harç gibi malzemeleri taşımak için çoğunlukla bu makaralar kullanılır. 20 53. s. Hareketli Makara Bu tür makaralar yükle birlikte hareket eder. Bu yüzden de hareketli makara olarak adlandırılır. Hareketli makarada, kaldırılacak yükün ağırlığı, iki ip aras nda 6 N 3 N eşit olarak paylafl l r. Yandaki flekilde görüldü ü gibi ipin bir ucu duvara sabitlenirken yük de makaraya bağlanır. Bu makaralarda 3 N uygulanan kuvvet, toplam ağırlığın (yük ve makara ağırlığının) yarısı kadardır. Yani kuvvetten iki kat kazanç sağlanır. Buna karşılık, yükü 1 m yukarı kaldırabilmek için ipi 2 m çekmemiz gerekir. Bu durumda yoldan iki kat kaybımız olur. Yapılan işten, 6 N 6 N sabit makarada da oldu u gibi, bir kazanç elde edilmiş olmaz. 3 N Yandaki resimde, sabit ve hareketli makaralar n kullanıld düzenekler görülmektedir. Bu düzeneklerde cismi üzerinde tafl yan ip say s artt nda dinamometrede 3 N okunan de erin küçüldü ünü fark ettiniz mi? Makara sistemi, vinçlerde yaygın olarak kullanılır. Böylece ağır bir yükü kaldırmak için uygulanması gereken kuvvet önemli ölçüde azaltılmış olur. 6 N 6 N 6 N 1,5 N 87
Birisi size bir yavru fili kald rarak küvete koyabilece ini söylerse şaşırmayın. Çünkü bu, imkânsız gibi görünen bir iş olsa da makaralar yardımıyla başarılabilir. ü bir tek sabit makara ile kaldırdığımızda uyguladığımız kuvvet ile makara olmadan kaldırdığımızda uyguladığımız kuvvet birbirine eşit olur. Ancak sabit makaranın yanında bir de hareketli makara kullanırsak uygulamamız gereken kuvveti yarıya düşürmüş oluruz. Fakat bu durumda da çekmemiz gereken ip uzunlu u iki katına çıkmış olur. Üç ya da dört hareketli makara kullanırsak yükü kaldırmamız çok kolaylaşır. Ancak makara sayısı arttıkça çekmemiz gereken ipin uzunluğu da makara sayısıyla orantılı olarak artar. Dolayısıyla bir fili kaldırabilmek için, belki 100 makaraya ve çok çok uzun bir ipe ihtiyacımız olacaktır. Yukar daki örnekte de görüldü ü gibi bir bileşik makara sistemi, sabit ve hareketli makaralardan oluşur. Bu makara sistemi, kuvvetin yönünü değiştirirken kuvvetten de kazanç sağlar. Eğik Düzlem Bir yükü makara kullanmadan belli bir yüksekli e daha kolay nas l ç kar r z? Bir rampa kullanmak iflimizi kolaylaflt r r m? Bazen kaldırılması zor olan yükleri belli bir yüksekliğe taşımak için eğik düzlemler kullan ld n fark ettiniz mi? Çevrenizde nerelerde e ik düzlem kullan lmaktad r? Bir levhanın ucu, yükün çıkarılacağı yere dayandırılırsa eğik bir yol elde edilir. Birçok yerde karşılaştığımız eğik düzlemin öteki basit makinelerden en önemli farkı, bunların genellikle hareketsiz olmalarıdır. Eğik yüzey boyunca itilen ya da çekilen yük, istenilen yere daha az kuvvetle çıkarılabilir. Ancak aynı yük, çok daha uzun bir mesafede taşınmış olur. Aslında eğik düzlem kullanıldığında, yapılan iş miktarı azalmaz. Afla daki resimlerde görülen işçi, yükü depoya taşımaya çalışıyor. Bu işi yaparken de mümkün olduğunca az kuvvet uygulamak istiyor. şçinin bunu başarabilmesi için mümkün olduğunca uzun bir rampa kullanması gerekir. Çünkü kullanılan rampa ne kadar uzun olursa uygulanması gereken kuvvet o kadar az olur. 1 2 3 Bunlar Biliyor muydunuz? 88 21 54. s. Eski Mısırlılar, piramitlerin yapımında kullandıkları büyük kayaları, rampa adı verilen eğik düzlem ve kaldıraçlar sayesinde taşımışlardır. Günümüzde kullan lan en güçlü vinç, 15 ton kütlesindeki kayalardan 350 tanesini ayn anda kald rabilmektedir.
ve Hareket Vida, silindirin etrafına sarılı eğik bir düzlemdir. Sarmal şeklindeki bir merdivenle düz bir merdiven arasındaki benzerlik, vida ile eğik düzlem arasındaki benzerliğin aynısıdır. E imli yolları tırmanmak seyir hâlindeki araçları zorlar. Bu yüzden e imin fazla oldu u dağlık bölgelerde yap lan yollar, e imi azaltmak için yandaki foto rafta görüldü ü gibi genellikle virajlı inşa edilir. Dişliler Bir otomobil sürücüsünün tekerlekleri yönlendirebilmesi için direksiyonu çevirmesi gerekir. Peki, direksiyonu çevirmek için uygulanan kuvvet, tekerleklere nas l aktar l yor olabilir? Hiç eski tipte bir saatin içini gördünüz mü? Görmediyseniz büyüklerinizden yard m alarak bu tür bir saatin içini aç p inceleyiniz. Yandaki flekilde bir duvar saatinin içi görülmektedir. Saatin akrep ve yelkovan n hareket ettiren diflli çarklar fark ettiniz mi? Dişli çarklara kısaca dişliler adı verilir. Günlük hayat m zda bisikletten otomobile, matkaptan gemiye kadar birçok araç ve gerecin yapımında farklı boyut ve türdeki dişlilerden yararlanılır. Yandaki resimde bir el matkab görülmektedir. Bu matkab n bir büyük, iki de küçük dişli çarktan oluştuğunu fark ettiniz mi? Bu matkaptaki büyük çarkın dişleri, iki küçük çarkın dişleri arasına oturmuştur. Matkab n koluna elimizle kuvvet uyguladığımızda büyük çarkı döndürmüş oluruz. Büyük çarkın dönmesi de küçük çarkların dönmesini sağlar. Büyük çark bir kez döndüğünde kendisine bağlı küçük çarklar birçok kez döner. Böylece matkab n küçük çarklarına bağlı olan matkap ucu çok hızlı hareket eder. 89
23 55. s. Dişli çarklar, kullanım amaçlarına göre farklı büyüklükte imal edilir. Çarkın çapı büyüdükçe diş sayısı da artar. Örneğin, büyük çarktaki diş sayısı 52, küçük çarktaki diş sayısı 13 olan bir bisiklet düşünelim. Bu durumda bisikletteki büyük çarkın çapı, küçük çarkın çapının 4 katı olacaktır. Yani pedalı çevirdiğimizde zincire bağlı büyük çark bir kez dönerken küçük çark 4 kez dönecektir. Şu ana kadar kaldıraç, makara, eğik düzlem ve dişliler gibi basit makineleri öğrendik. Ancak günlük hayatımızda çok sık kullandığımız başka makineler de vardır. Çevremizi gözlemleyerek bunların hangi makineler olduklarını ve nerelerde kullanıldıklarını anlamaya çalışalım. nsanoğlu, ilk çağlardan beri kendi kuvvetinin çok üzerinde işler yapmak için u raflm fl ve bunu da başarmıştır. nsanların bu kadar büyük işleri başarabilmiş olmalarının sebebi, onların kendi kuvvetlerinin yanı sıra hayvan ve makineleri de kullanmış olmalarıdır. Sizce, insanoğlunun kullandığı ilk basit makine ne olabilir? Büyük ağırlıkları hareket ettirmek için kullanılan sa lam a aç parçalar ya da hayvanların derilerini yüzmek için kullanılan keskin uçlu taşlar ilk basit makineler olabilir mi? Ne dersiniz? nsanlar, zamanla, kuvvetin büyüklüğünü artırıp yönünü değiştiren ve bu sayede iş kolaylığı sağlayan birçok makine yapmayı öğrendiler. Mağaralardan çıkıp yaşamaya elverişli yapılar inşa etmeye başladıklarında, yuvarlak kütüklerden yararlandılar. Kütükler sayesinde, yapılarda kullanacakları büyük taşları, istedikleri yere daha kolay taşıdılar. Bu durum, tarihteki en önemli buluş sayılan tekerleğin icadının ilk adımıdır. Günümüzden 5000 yıl önce, Sümerler tarafından icat edilmiş olan tekerlek, sadece yük taşımada değil, makinelerde de kullanılmıştır. 7. Osmanlı padişahı Fatih Sultan Mehmet, stanbul u fethederken, donanmamızı karadan Haliç e indirmek için basit makinelerden yararlanmıştır. Yandaki resim, 1453 y l nda gerçekleflen bu olay anlatmaktad r. Buna göre Fatih Sultan Mehmet, donanmay Haliç e indirmek için hangi basit makinelerden yararlanm flt r? Yandaki resimde çok eski dönemlerde kullanılmış bir vinç görülmektedir. Bu vinçte, makaralar kullanılarak yükün a rl birçok halata bölünmüştür. ün yukarı çekilebilmesi için de sisteme, içinde insanların yürüyebileceği tarzda bir tekerlek yerleştirilmiştir. nsanlar bu tekerleğin içinde yürüyerek tekerleği döndürmüş, dönen tekerlek de halatı harekete geçirerek yükün yukarı çekilmesini sağlamıştır. 90
ve Hareket Atatürk Diyor ki... Ben, manevi miras olarak hiçbir ayet, hiçbir dogma, hiçbir donmufl ve kal plaflm fl kural b rakm yorum. Benim manevi miras m ilim ve ak ld r. Benim Türk milleti için yapmak istediklerim ve baflarmaya çal flt klar m ortadad r. Benden sonra beni benimsemek isteyenler, bu temel eksen üzerinde ak l ve ilmin rehberli ini kabul ederlerse manevi mirasç lar m olurlar. Basit makinelerin, çok az parçadan oluşan ve genellikle tek bir kuvvetin kullan ld araçlar oldu unu ö renmifltik. Ancak günlük hayatta sadece basit makinelerden yararlanmayız. Basit makinelerin bir araya getirilmeleriyle oluşturulmuş bileşik makineler de vardır ve bileşik makineler hayatımızda daha fazla yer tutar. Yandaki şekilde görüldüğü gibi bir el arabası üç tane basit makineden oluşur. Siz de basit makinelerden oluşmuş bileşik makinelere çevrenizden başka örnekler verebilir misiniz? Afla da bulunan sistemlerden soldakinde yer alan en az üç adet basit makineyi fark ettiniz mi? Bu sistemde, 5 N ağırlığındaki araba, 2,5 N luk kuvvetle yukarıya çıkarılabilmektedir. Peki, sa daki basit makinelerden oluflan sistemde arabay yukar do ru hareket ettirmek için kaç N luk kuvvet uygulanmal d r? E ik düzlem El arabas Kald raç Tekerlek (F) 5 N 5 N 2,5 N 250 g 30 o 30 o 24 56. s. Öğrendiğiniz basit makinelerden en az üçünü kullanarak bir bileşik makine tasarımı oluşturunuz. Oluşturduğunuz bu tasarımla daha az kuvvet uygulayarak daha büyük bir kuvvet elde ediniz. Tasarımınızı arkadaşlarınıza tanıtınız. Mutfakta kullanılan bıçakların zamanla köreldiği için bilendiğini görmüşsünüzdür. Diğer delici ve kesici aletler de (balta, kazma, keser, orak, tırpan vb.) kullanılmaktan dolayı zamanla körelir. Körelen bu aletler, bilenerek yeniden keskin hâle getirilir. Yukarıdaki örneklere bakarak kullanılan bütün makinelerin zamanla aşındığını söyleyebilir misiniz? Tasarladığınız bileşik makinenin hangi parçalarının uzun süreli kullanıldığında daha kolay aşınacağını düşünüyorsunuz? Kendimizi De erlendirelim Aşağıdaki soruların cevaplar n defterimize yazal m. 1. Bir bisikleti meydana getiren basit makinelerden en az üçünü belirterek bunlar n görevlerini açıklayalım. 2. fiu ana kadar ö rendi imiz basit makinelerden, kuvvetin yönünü de ifltiren ve kuvvetten kazanç sa layanlar hangileridir? Bunlara günlük hayat m zdan örnekler verelim. 91