Sayfalara Git

Ünite İçeriğine Dön

4. Etkinlik: Newton'ın Hareket Yasaları

1. Ünite: Kuvvet ve Hareket · 1.3. Newton'ın Hareket Yasaları

Sayfa 40-43
1. KUVVET VE HAREKET
1.3. Newton'ın Hareket Yasaları
1
İbn-i Sina ve Kasrî Meyil Kuramı
Metin okuma ve anlama
İbn-i Sina ve Kasrî Meyil Kuramı

Hareketin doğasını anlama çabası, bilim tarihinin temel tartışma konularından biri olmuştur. Özellikle Aristoteles fiziğinde fırlatılan bir cismin (örneğin yaydan çıkan bir okun), fırlatıcı kaynakla teması kesildikten sonra havada nasıl ilerlemeye devam ettiği büyük bir kuramsal problem olarak ele alınmıştır. Aristoteles, cismin etrafındaki havanın onu sürükleyerek hareketini devamlılığını sağladığını öne sürmüştür. Bu açıklama, doğa gözlemleriyle tam olarak örtüşmediğinden Orta Çağ boyunca bilimsel eleştirilere maruz kalmıştır.

İbn-i Sina, Aristoteles'in hava direncinin hareketi desteklediği yönündeki fikrini kesin bir dille reddetmiştir. Aksine havanın aslında fırlatılan cisme karşı duran ve onu yavaşlatan bir dış direnç oluşturduğunu belirtmiştir. Fırlatılan cisimlerin hareketlerine havada devam edebilmelerini ise klasik fiziğe yön verecek olan "kasrî meyil" (zorunlu eğilim) kavramı ile açıklamıştır.

İbn-i Sina'nın kuramına göre kasrî meyil, harekete ettiren kaynağın cisme aktardığı ve cismin fırlatıldıktan sonra da hareket etmesini sağlayan içsel ve kalıcı bir etkidir. Cisim, kaynaktan ayrıldıktan sonra bile bu etkiyi bünyesinde barındırarak yoluna devam eder. Bu meyil, doğası gereği kendi kendine tükenmez veya kaybolmaz ancak havanın veya ortamın gösterdiği sürtünme gibi dış engeller sebebiyle zamanla azalarak sönümlenir.

İbn-i Sina'nın mekanik alanındaki katkılarından biri de dirençsiz ortam (boşluk) varsayımı üzerine yaptığı akıl yürütmelerdir. O dönemde boşluğun varlığı felsefi olarak tartışmalı olsa da İbn-i Sina, eğer bir cisim hiçbir direncin olmadığı mutlak bir boşlukta hareket etseydi sahip olduğu kasrî meyil asla tükenmeyeceği öne sürmüştür. Bu durumda hareket eden cisim sonsuza dek ilerlemeye devam edecektir. Bu çıkarım, modern mekanik yasalarında eylemsizlik ilkesi olarak bilinen kuralın erken bir habercisidir.

İbn-i Sina, bir cismin taşıyabileceği kasrî meyil miktarının cismin kütlesi ve sahip olduğu hız ile doğru orantılı olduğunu ileri sürmüştür. Ağır bir cisim, aynı hızla ilerlemekte olan hafif bir cisme kıyasla kendisine aktarılan bu etkiyi daha çok depolayabilir, dış dirençlere karşı daha uzun süre direnebilir ve dolayısıyla daha uzağa gidebilir.

İbn-i Sina'nın mekanik alanında öne sürdüğü görüş, sonraki yüzyıllarda Avrupa'ya bilim dünyasına ulaşmış, Latince "inclinatio violenta" (inklinatsiyo violento) ve daha sonra "impetus" (impetus) olarak çevrilmiştir. Onun geliştirdiği bu model, Jean Buridan (Jan Buridan) ve sonrasında Galileo Galilei gibi isimlere ilham vererek modern mekaniğin temellerinin atılmasında önemli bir rol oynamıştır.

2
Metin Soruları
İbn-i Sina ve Aristoteles'in görüşleri

1. Aristoteles ve İbn-i Sina'nın fırlatılan bir cismin havada nasıl ilerlemeye devam ettiğine dair öne sürdükleri görüşler arasındaki temel fark nedir? Havanın bu hareketteki rolünü iki düşünürün bakış açısıyla karşılaştırarak açıklayınız.

Cevap:

Aristoteles'in Görüşü:

  • Hava, hareketi destekler ve cismi sürükleyerek ilerlemesini sağlar.
  • Cisim, fırlatıcıdan ayrıldıktan sonra hava tarafından itilmeye devam eder.
  • Hareketin devamlılığı dış bir etkene (havaya) bağlıdır.

İbn-i Sina'nın Görüşü:

  • Hava, hareketi engeller ve cismi yavaşlatır (direnç gösterir).
  • Cisim, fırlatıcıdan ayrıldıktan sonra kasrî meyil (içsel bir etki) sayesinde ilerler.
  • Hareketin devamlılığı içsel bir etkene (cisme aktarılan meyil) bağlıdır.
Sonuç: Aristoteles harekete devam etmeyi dışsal bir nedene (hava) bağlarken, İbn-i Sina içsel bir nedene (kasrî meyil) bağlamıştır. Ayrıca İbn-i Sina'ya göre hava, hareketi destekleyen değil, engelleyen bir faktördür.

2. İbn-i Sina'nın mutlak boşluk (dirençsiz ortam) varsayımı üzerinden yaptığı akıl yürütme, modern fiziğin temel yasalarından hangisine zemin hazırlamıştır? İbn-i Sina'nın bu çıkarımını "kasrî meyil" kavramı üzerinden gerekçelendirerek yazınız.

Cevap:

Zemin Hazırladığı Yasa:

Eylemsizlik Yasası (Newton'un I. Hareket Yasası)

İbn-i Sina'nın Akıl Yürütmesi:

  • Kasrî meyil, cisme fırlatıcı tarafından aktarılan içsel bir etkidir.
  • Bu meyil doğası gereği kendiliğinden tükenmez; ancak dış sürtünme ve direnç nedeniyle azalır.
  • Eğer ortamda hiçbir direnç (mutlak boşluk) olmasaydı, kasrî meyil asla tükenmezdi.
  • Bu durumda cisim, sonsuza dek sabit hızla hareket etmeye devam ederdi.
Sonuç: İbn-i Sina'nın bu çıkarımı, Newton'un "Bir cisim üzerine net kuvvet etki etmedikçe, duran cisim durur, hareket eden cisim sabit hızla hareketine devam eder" şeklindeki Eylemsizlik Yasası'nın öncüsüdür.

3. Günümüz fizik dünyasında İbn-i Sina'nın hangi fikirlerinden yararlanılıyor olabilir?

Cevap:

  • Eylemsizlik İlkesi: Modern fiziğin temel taşlarından biri olan eylemsizlik kavramının ilk fikirsel temellerini atmıştır.
  • Momentum (İmpetus) Kavramı: Kasrî meyil kavramı, daha sonra "impetus" adıyla anılmış ve günümüzdeki momentum (hareket miktarı) kavramına evrilmiştir.
  • Kütle-Hız İlişkisi: Kasrî meyilin kütle ve hız ile doğru orantılı olduğu görüşü, momentumun matematiksel tanımı olan p = m · v bağıntısına öncülük etmiştir.
  • Direnç ve Sürtünme: Havanın hareketi engelleyici bir direnç olduğu görüşü, günümüzdeki sürtünme kuvveti ve hava direnci hesaplamalarının temelini oluşturur.
  • Bilimsel Yöntem: Gözlem ve akıl yürütmeye dayalı bilimsel yaklaşımı, modern bilimsel yöntemin öncüsü olmuştur.
3
Simülasyon Etkinliği: Kuvvet ve Hareket
4-14. sorular: Newton'ın Hareket Yasaları simülasyonu
Yönerge:

Aşağıda verilen basamakları takip ederek "Kuvvet ve Hareket" simülasyonunu kullanınız ve gözlemlerinizi kaydediniz.

4. Mavi ve kırmızı takımı oluşturan insan figürlerini kullanarak durmakta olan vagona farklı büyüklüklerde kuvvetler uygulayınız.

5. Uyguladığınız kuvvet değerlerini ve bileşke (net) kuvvet değerini aşağıdaki tabloya yazınız. "Başla" butonunu kullanarak hareketi geçirdiğiniz vagondan gözlemleyiniz.

Mavi Takımın Uyguladığı Kuvvet (N) Kırmızı Takımın Uyguladığı Kuvvet (N) Bileşke Kuvvet (N) Vagonun Hareket Yönü
50 30 20 Mavi yönünde
40 40 0 Hareket etmez
25 50 25 Kırmızı yönünde
60 20 40 Mavi yönünde
Gözlem: Bileşke kuvvet, aynı yönlü kuvvetlerin toplamı ile zıt yönlü kuvvetlerin farkına eşittir. Bileşke kuvvetin yönü, büyük olan kuvvetin yönündedir.

6. Gözlemlerinizi tartışma yöntemi ile yorumlayarak bileşke kuvvet ve hareket arasında ilişki kurunuz. Kurduğunuz ilişkiyi bir cümle ile ifade ediniz.

Cevap:

Bir cisme etki eden bileşke kuvvet sıfırdan farklı ise cisim, bileşke kuvvet yönünde ivmeli hareket yapar. Bileşke kuvvet sıfır ise cisim durur veya sabit hızla hareketine devam eder.

7. Ana sayfada yer alan "hareket" bölümünü seçerek sağ üst köşedeki "kuvvet", "kuvvetlerin büyüklüklerini göster", "kütleleri göster", "hız" ve "stopwatch (stapvoç süreölçer)" ifadelerinin yanındaki kutuları işaretleyiniz.

(Simülasyon ayarları - öğrenci tarafından yapılacak)

8. İnsan figürlerini kullanarak buzdolabı, sandık, çöp kovası, hediye paketi gibi cisimlere farklı kuvvet değerleri uygulayınız. Bu sırada hız göstergesi ve zaman sayacından yararlanarak cisimlerin farklı zaman aralıklarındaki hız değişimlerini inceleyiniz. Önceki öğrenmelerinizden yararlanarak cismin ivmesini hesaplayınız. Ulaştığınız sonuçları aşağıdaki tabloya yazınız.

Uygulanan Kuvvet (N) Kütle (kg) Hız Değişimi (m/s) / Zaman (s) İvme (m/s²)
50 10 5 / 1 5
100 10 10 / 1 10
50 20 2,5 / 1 2,5
100 20 5 / 1 5
Gözlem: Aynı kütleli cisme daha büyük kuvvet uygulandığında ivme artar. Aynı kuvvet daha büyük kütleye uygulandığında ivme azalır. İvme, kuvvetle doğru; kütleyle ters orantılıdır.

9. İnsan figürü vasıtası ile kuvvet uygulayarak harekete geçmesini sağladığınız cisimlerin üzerine uygulanan bileşke kuvvet değerini sıfırlayınız. Bileşke kuvvetin sıfır olduğu andan itibaren cismin hareketini ve hız büyüklüğünü değişip değişmediğini gözlemleyiniz. Gözlemlerinizi tartışma yöntemi ile yorumlayarak cisme etki eden bileşke kuvvetin sıfır olduğu bu durum için bir sonuç cümlesi yazınız.

Cevap:

Cisim hareket halindeyken bileşke kuvvet sıfırlandığında, cisim sabit hızla hareketine devam eder. Hız büyüklüğü değişmez. Bu durum, Newton'un I. Hareket Yasası (Eylemsizlik Yasası)'nın bir sonucudur.

10. İnsan figürlerini kullanarak vagona kuvvet uyguladığınız sırada vagon da insan figürlerine bir kuvvet uygulamış mıdır? Düşüncelerinizi gerekçeleriyle aşağıdaki alana yazınız.

Cevap:

Evet, uygulamıştır. Newton'un III. Hareket Yasası (Etki-Tepki Yasası) gereği, her etkiye karşı eşit büyüklükte ve zıt yönde bir tepki kuvveti vardır. İnsanlar vagona kuvvet uygularken, vagon da insanlara ters yönde aynı büyüklükte bir kuvvet uygular. Ancak insanlar yere daha iyi tutundukları için vagon hareket ederken, insanlar geriye doğru itilmezler.

11. Ana sayfada yer alan "ivme" bölümünü seçerek sağ üst köşede bulunan "kuvvetler", "net kuvvet", "kuvvetlerin büyüklüklerini göster", "kütleleri göster", "hız" ve "ivme" ifadelerinin yanındaki kutuları işaretleyiniz. Sürtünme kuvvetini "az" değerini gösterecek şekilde ayarlayınız.

(Simülasyon ayarları - öğrenci tarafından yapılacak)

12. Farklı kuvvet ve kütle değerleri için ivmeölçerin gösterdiği ivme değerlerini gözlemleyiniz. Ulaştığınız sonuçları aşağıdaki tabloya yazınız.

Uygulanan Kuvvet (N) Kütle (kg) Bileşke Kuvvet (N) / Kütle (kg) İvme (N/kg)
20 5 20 / 5 4
30 5 30 / 5 6
20 10 20 / 10 2
40 10 40 / 10 4
Gözlem: İvme = Bileşke Kuvvet / Kütle oranı her durumda sabittir. Bu oran, Newton'un II. Hareket Yasası'nın matematiksel ifadesidir: a = Fnet / m

13. Gözlemleriniz ve oluşturduğunuz tablolardan yararlanarak cismin ivmesi ile bileşke kuvvet ve kütle arasındaki ilişkiyi ortaya koyunuz. Bu ilişkiyi bir cümle veya matematiksel model şeklinde aşağıdaki alana yazınız.

Cevap:

a = Fnet / m

Bir cismin ivmesi, üzerine etki eden bileşke kuvvetle doğru orantılı, cismin kütlesiyle ters orantılıdır.

14. Simülasyon sonunda elde ettiğiniz verileri sınıf arkadaşlarınızla tartışınız. Tartışma sürecinde fikirlerinizi arkadaşlarınızla paylaşarak iddialarınızı ve destekleyicilerinizi ortaya koyunuz. Arkadaşlarınızın karşıt iddiaları ile ilgili çürütücülerinizi saygı çerçevesinde belirtiniz. Tartışma ortamında keşfettiğiniz ilişkiler üzerinden Newton'un Hareket Yasalarına yönelik genellemeler yapınız. Genelleme ve çıkarımlarınıza dayanarak boş bırakılan alanları doldurunuz.

Bileşke Kuvvet ile Cisimlerin Hareketi Arasındaki İlişki 🚗man Üzerine etki eden bileşke kuvvet değerinin sıfır olması durumunda cismin hareketini yorumlayınız. Cevap: Cisim dengelenmiş kuvvetler etkisindedir. Duran cisim durur, hareket eden sabit hızla hareketine devam eder. Hareket yönünde bileşke kuvvete maruz kalan cismin hareketini yorumlayınız. Cevap: Cisim düzgün hızlanan hareket yapar, hızı zamanla artar. Hareket yönü ile aynı doğrultuda an- cak zıt yönde bir kuvvete maruz kalan cismin hareketini yorumlayınız. Cevap: Cisim düzgün yavaşlayan hareket yapar, hızı zamanla azalır. Cismi itmekte olan bir kişinin cisme uyguladığı kuvvet ile cismin kişiye uyguladığı kuvveti karşılaştırınız. Cevap: Büyüklükleri eşit, yönleri zıttır (Etki-Tepki, F₁ = -F₂). İddialar ve Destekleyiciler Net kuvveti sıfır olan cisim sabit hızla da gidebilir. Karşıt İddialar ve Çürüttükleri Etki-tepki aynı cismi dengelemez (farklı cisimlerdedir).
Bileşke Kuvvet ve Cisimlerin Hareketi Arasındaki İlişki

Üzerine etki eden bileşke kuvvet değerinin sıfır olması durumunda cismin hareketini yorumlayınız.

Cevap: Bileşke kuvvet sıfır ise cisim duruyorsa durmaya devam eder; hareket ediyorsa sabit hızla hareketine devam eder. (Newton'un I. Yasası - Eylemsizlik)

Hareket yönü ile aynı doğrultuda ancak zıt yönde bir kuvvete maruz kalan cismin hareketini yorumlayınız.

Cevap: Cisim yavaşlar ve sonunda durabilir. Bu durumda ivme, hareket yönüne zıttır. (Örnek: Sürtünme kuvvetinin etkisindeki cisim)

Hareket yönünde bileşke kuvvete maruz kalan cismin hareketini yorumlayınız.

Cevap: Cisim hızlanır. İvme, hareket yönü ile aynı yöndedir. (Newton'un II. Yasası - Fnet = m · a)

Cismi itmekte olan bir kişinin cisme uyguladığı kuvvet ile cismin kişiye uyguladığı kuvveti karşılaştırınız.

Cevap: Bu iki kuvvet eşit büyüklükte ve zıt yöndedir. (Newton'un III. Yasası - Etki-Tepki)


İddialar ve Destekleyiciler
  • Bir cisme etki eden net kuvvet sıfırsa, cisim hareket ediyorsa sabit hızla hareketine devam eder.
  • Net kuvvet, ivme ile doğru orantılıdır (Fnet = m · a).
  • Etki ve tepki kuvvetleri eşit büyüklükte ve zıt yönlüdür.
  • İvme, kütle ile ters orantılıdır.
Karşıt İddialar ve Çürütücüler
  • Karşıt İddia: Hareket eden bir cisim her zaman bir kuvvetin etkisi altındadır.
    Çürütücü: Sürtünmesiz ortamda sabit hızla hareket eden bir cisim, net kuvvet olmadan da hareketine devam eder.
  • Karşıt İddia: Ağır cisimler daha yavaş hareket eder.
    Çürütücü: Aynı kuvvet uygulandığında ağır cisim daha az ivme kazanır (daha yavaş hızlanır), ancak hareket hızı kütleye bağlı değildir.
  • Karşıt İddia: Etki ve tepki kuvvetleri birbirini dengeler, bu yüzden cisim hareket etmez.
    Çürütücü: Etki ve tepki kuvvetleri farklı cisimlere etki eder, bu yüzden birbirini dengelemezler.

Değerlendirme: Çıkış Kartı

1. Ünite: Kuvvet ve Hareket · 1.3. Newton'ın Hareket Yasaları

Sayfa 44, Değerlendirme
1. KUVVET VE HAREKET
1.3. Newton'ın Hareket Yasaları
D
Değerlendirme
Öğrenme çıktılarının değerlendirilmesi

Aşağıda verilen "Çıkış Kartı"nı kendi ifadelerinizle doldurunuz. İfadelerinizi günlük hayattan farklı örneklerle destekleyiniz.

ÇIKIŞ KARTI
Newton'ın Hareket Yasaları ile ilgili üç bilgi
  • • Newton'ın I. Hareket Yasası (Eylemsizlik): Net kuvvet sıfırsa, duran cisim durur; hareket eden cisim sabit hızla hareketine devam eder.
  • • Newton'ın II. Hareket Yasası: Bir cismin ivmesi, üzerine etki eden net kuvvetle doğru orantılı, kütlesiyle ters orantılıdır (F = m · a).
  • • Newton'ın III. Hareket Yasası (Etki-Tepki): Bir cisim başka bir cisme kuvvet uyguladığında, ikinci cisim de birinciye eşit büyüklükte ve zıt yönde kuvvet uygular.
Newton'ın Hareket Yasaları ile ilgili iki soru
  • • Bir otobüs aniden fren yaptığında yolcular neden öne doğru savrulur? Bu durum hangi yasa ile açıklanır?
  • • Aynı kuvvet uygulanan iki cisimden kütlesi büyük olanın ivmesi neden daha küçüktür? Bu durum hangi yasa ile ilişkilidir?
Newton'ın Hareket Yasaları ile ilgili bir örnek
  • • Roketlerin uzaya fırlatılması: Roket motorları yakıtı yüksek hızla geriye doğru püskürtür (etki). Püskürtülen gazlar da rokete ileri doğru eşit büyüklükte bir kuvvet uygular (tepki). Bu sayede roket, Newton'ın III. Hareket Yasası gereği ileri doğru hareket eder.
Değerlendirme için karekoddan yararlanınız.
Newton'ın Hareket Yasaları - Özet
I. Yasa (Eylemsizlik)

Fnet = 0 ise cisim durur veya sabit hızla hareket eder.

II. Yasa (F = m·a)

İvme, net kuvvetle doğru; kütleyle ters orantılıdır.

III. Yasa (Etki-Tepki)

Her etkiye karşı eşit ve zıt yönde bir tepki vardır.

13. Alıştırma

1. Ünite: Kuvvet ve Hareket · 1.3. Newton'ın Hareket Yasaları

Sayfa 46
1. KUVVET VE HAREKET
1.3. Newton'ın Hareket Yasaları (Eylemsizlik Örnekleri)
13
13. Alıştırma: Alper ve Aras'ın Deneyleri
Eylemsizlik yasasının günlük hayat örnekleri

Alper ve Aras'ın madenî paralar, kâğıt ve su dolu bir bardakla yaptığı deneyler aşağıdaki gibidir.

1. Olay

Alper, bir kâğıdın üzerine madenî paraları üst üste yerleştirerek küçük bir kule yapıyor. Daha sonra paraların altındaki kâğıdı hızlıca çekiyor. Alper ve Aras, madenî para kulesinin devrilmediğini gözlemliyor.

2. Olay

Aras, masanın üzerinde madenî paraları üst üste dizerek daha küçük bir kule yapıyor. Alper ise diğerleriyle aynı boyutta başka bir madenî parayı kuleye doğru hızlıca gönderiyor. Alper ve Aras, sadece en alttaki paranın yerinden ayrıldığını, kulenin ise devrilmediğini görüyor.

3. Olay

Alper, bir bardağın ağzını ince bir kartonla kapatıp üzerine bir madenî para koyuyor. Aras ise bu kartonu hızlıca çekiyor. Alper ve Aras, madenî paranın kartondan beraber gelmediğini ve bardağın içine düştüğünü gözlemliyor.

Soru:

Alper ve Aras, gözlemledikleri olayları bilimsel olarak açıklamak istiyor. Alper ve Aras'a bu olayların sebebini açıklayınız.

Çözüm:

Bu olayların tümü Newton'ın I. Hareket Yasası (Eylemsizlik Yasası) ile açıklanır.

Eylemsizlik Yasası:

Bir cisim üzerine etki eden net kuvvet sıfır ise, duran cisim durmaya, hareket eden cisim sabit hızla hareketine devam etme eğilimindedir. Cisimlerin bu özelliğine eylemsizlik denir.

1. Olayın Açıklaması:

Kâğıt hızlıca çekildiğinde, paralara etki eden sürtünme kuvveti çok kısa süre etki eder. Bu nedenle paralar, eylemsizlikleri gereği konumlarını korumak ister ve kâğıt çekilirken hareket etmezler. Böylece kule devrilmez.

2. Olayın Açıklaması:

Fırlatılan para, kuleye çarptığında kuvveti en alttaki paraya iletir. En alttaki para bu kuvvetle yerinden ayrılıp hareket ederken, üstteki paralar eylemsizlikleri nedeniyle konumlarını korumaya çalışır ve kule devrilmez.

3. Olayın Açıklaması:

Karton hızlıca çekildiğinde, madenî paraya etki eden sürtünme kuvveti çok kısa sürer. Para, eylemsizliği nedeniyle kartonla birlikte hareket etmez ve karton çekilirken yerinde kalır. Yerçekimi etkisiyle de bardağın içine düşer.

Eylemsizlik Yasası - Günlük Hayat Örnekleri
Fren Yapan Araç

Ani frende yolcuların öne savrulması

Örtü Çekme

Masadaki örtü hızla çekildiğinde eşyaların devrilmemesi

Çekiç Kullanımı

Çekicin sapı yere vurulduğunda çekicin iyice geçmesi

Hatırlatma: Eylemsizlik, cisimlerin hareket durumundaki değişime karşı koyma eğilimidir. Kütle, eylemsizliğin bir ölçüsüdür.

14. Alıştırma

1. Ünite: Kuvvet ve Hareket · 1.3. Newton'ın Hareket Yasaları

Sayfa 48
1. KUVVET VE HAREKET
1.3. Newton'ın Hareket Yasaları (Kuvvet - İvme İlişkisi)
14
14. Alıştırma: Kızakla Kayma (Bobsledding)
Sporcu sayısına göre ivmenin değişimi

Dünya kış oyunlarının ilgi çekici alanlarından biri de kızakla kayma [bobsledding (bobsleding)] müsabakasıdır. Bu müsabakada dört sporcu, kızağı aynı anda iterek hızlandırır ve dışarıda sporcu kalmayana kadar teker teker şekildeki gibi kızağın içine atlar.

Sürtünmesi ihmal edilen yatay zeminde her biri m kütleli dört sporcu, 2m kütleli durgun kızağa eşit büyüklükte yatay F kuvvetleri uygulayarak kızağı harekete geçiriyor.

F F v

Soru: Kızağın ivmesi boşken a₀, birinci sporcu bindikten sonra a₁, ikinci sporcu bindikten sonra a₂, üçüncü sporcu bindikten sonra a₃ ve son sporcu bindikten sonra a₄ olduğuna göre bu ivmelerin büyüklüklerini hesaplayarak büyükten küçüğe doğru sıralayınız.

Çözüm:

Temel Prensip (Newton'ın II. Yasası):

Kızağa uygulanan toplam kuvvet, dışarıdan iten sporcuların sayısına bağlıdır. Her sporcu F büyüklüğünde kuvvet uygular. Sistemin toplam kütlesi ise kızak ve kızakta bulunan sporcuların kütlelerinin toplamıdır.

a = Fnet / mtoplam

Durumların Analizi:

  • Boş Kızak (a₀): 4 sporcu dışarıda itiyor, kızakta kimse yok.
    Fnet = 4F, mtoplam = 2m (sadece kızak)
    a₀ = 4F / 2m = 2F/m
  • 1. Sporcu Bindi (a₁): 3 sporcu dışarıda itiyor, 1 sporcu kızakta.
    Fnet = 3F, mtoplam = 2m + m = 3m
    a₁ = 3F / 3m = F/m
  • 2. Sporcu Bindi (a₂): 2 sporcu dışarıda itiyor, 2 sporcu kızakta.
    Fnet = 2F, mtoplam = 2m + 2m = 4m
    a₂ = 2F / 4m = F/2m
  • 3. Sporcu Bindi (a₃): 1 sporcu dışarıda itiyor, 3 sporcu kızakta.
    Fnet = 1F, mtoplam = 2m + 3m = 5m
    a₃ = F / 5m
  • 4. Sporcu Bindi (a₄): Dışarıda iten sporcu kalmadı, 4 sporcu kızakta.
    Fnet = 0, mtoplam = 2m + 4m = 6m
    a₄ = 0 / 6m = 0

İvmelerin Karşılaştırılması:

Durum Net Kuvvet Toplam Kütle İvme Sıralama
a₀ (Boş) 4F 2m 2F/m 1 (En büyük)
a₁ (1 sporcu) 3F 3m F/m 2
a₂ (2 sporcu) 2F 4m F/2m 3
a₃ (3 sporcu) F 5m F/5m 4
a₄ (4 sporcu) 0 6m 0 5 (En küçük)
Cevap: İvmelerin büyükten küçüğe doğru sıralaması: a₀ > a₁ > a₂ > a₃ > a₄
Sayısal olarak: 2F/m > F/m > F/2m > F/5m > 0
Ek Açıklama: Sporcular kızağa bindikçe hem iten sporcu sayısı (net kuvvet) azalmakta hem de kızağın toplam kütlesi artmaktadır. Bu iki etki birleştiğinde ivme hızla düşer. Son sporcu bindiğinde ise iten kimse kalmadığı için net kuvvet sıfır olur ve ivme sıfıra düşer (kızak sabit hızla hareketine devam eder).
Kuvvet - İvme İlişkisi - Önemli Noktalar
İvme Formülü

a = Fnet / m

Kuvvet Artarsa

Aynı kütle için ivme artar

Kütle Artarsa

Aynı kuvvet için ivme azalır

Hatırlatma: İvme, net kuvvetle doğru; kütleyle ters orantılıdır. Newton'ın II. Hareket Yasası olarak bilinir.

Alıştırmalar

1. Ünite: Kuvvet ve Hareket · 1.3. Newton'ın Hareket Yasaları

Sayfa 49
1. KUVVET VE HAREKET
1.3. Newton'ın Hareket Yasaları
15
15. Alıştırma: Yük Treni
Kuvvet, ivme ve hareket problemleri

150 ton kütleli durgun bir yük treni, trenin lokomotifi tarafından 30 000 N'lık bir kuvvet uygulanarak harekete geçiriliyor. (Sürtünmeleri ihmal ediniz.)

F

Buna göre trenin

a) 72 km/h'lik hıza ulaşması için gereken sürenin kaç s olduğunu bulunuz.

Çözüm:

1. Adım: Verilenleri SI birimlerine çevirelim

  • m = 150 ton = 150 000 kg
  • F = 30 000 N
  • v = 72 km/h = 72 · (1000/3600) = 20 m/s

2. Adım: İvmeyi bulalım (Newton'ın II. Yasası)

a = F / m

a = 30 000 / 150 000 = 0,2 m/s²

3. Adım: Süreyi bulalım

v = v₀ + a · t (v₀ = 0)

20 = 0 + 0,2 · t

t = 20 / 0,2 = 100 s

Cevap: Trenin 72 km/h hıza ulaşması için gereken süre 100 s'dir.

b) Bu süreçte aldığı yolun kaç m olduğunu bulunuz.

Çözüm:

1. Yöntem: Hareket denklemi

x = v₀ · t + ½ · a · t²

x = 0 · 100 + ½ · 0,2 · (100)²

x = 0 + 0,1 · 10000 = 1000 m

2. Yöntem: Ortalama hız

vort = (v₀ + v) / 2 = (0 + 20) / 2 = 10 m/s

x = vort · t

x = 10 · 100 = 1000 m

Cevap: Trenin bu süreçte aldığı yol 1000 m'dir.
16
16. Alıştırma: Hava Hokeyi Diski
Bileşke kuvvet ve ivme hesabı

Hava hokeyi, oyuncuların düşük sürtünmeli bir masa üzerinde el diskleri (iticiler) yardımı ile hafif bir diske kuvvet uygulayarak gol atmayı amaçladıkları bir oyundur. Sürtünmelerin ihmal edildiği hava hokeyi masası üzerindeki 500 g kütleli durgun diske kuzeydoğu yönünde 10√2 N, batı yönünde 6 N, güney yönünde 7 N büyüklüğünde üç kuvvet aynı anda uygulanıyor.

Hava Hokeyi

Hava Hokeyi

Soru: Bu kuvvetleri şekildeki disk üzerinde göstererek diskin kaç N/kg'lık bir ivmeyle hangi yöne doğru harekete geçeceğini hesaplayınız. (sin45° = cos45° = 1/√2 alınız.)

Çözüm:

1. Adım: Verilen kuvvetleri bileşenlerine ayıralım

  • Kuzeydoğu yönündeki kuvvet (10√2 N):
    • Doğu bileşeni: FD1 = 10√2 · cos45° = 10√2 · (1/√2) = 10 N
    • Kuzey bileşeni: FK1 = 10√2 · sin45° = 10√2 · (1/√2) = 10 N
  • Batı yönündeki kuvvet: FB = 6 N
  • Güney yönündeki kuvvet: FG = 7 N

2. Adım: Yatay ve düşey bileşenlerin toplamını bulalım

Yatay (Doğu-Batı) yöndeki net kuvvet:

Fx = FD1 - FB = 10 - 6 = +4 N (Doğu yönünde)

Düşey (Kuzey-Güney) yöndeki net kuvvet:

Fy = FK1 - FG = 10 - 7 = +3 N (Kuzey yönünde)

3. Adım: Bileşke kuvveti bulalım

Fnet = √(Fx² + Fy²)

Fnet = √(4² + 3²) = √(16 + 9) = √25 = 5 N

4. Adım: İvmeyi bulalım

m = 500 g = 0,5 kg

a = Fnet / m

a = 5 / 0,5 = 10 N/kg

5. Adım: Hareket yönünü bulalım

Net kuvvet vektörü: Fx = 4 N (Doğu), Fy = 3 N (Kuzey). Bu durumda bileşke kuvvet kuzeydoğu yönündedir. Açısı: tanθ = 3/4 → θ = 37° (Doğu ile).

Cevap: Disk, 10 N/kg büyüklüğünde bir ivme ile kuzeydoğu yönünde (doğu ile 37° açı yapacak şekilde) harekete geçer.
Kuvvet ve Hareket - Önemli Formüller
İvme

a = Fnet / m

Hız

v = v₀ + a · t

Yol

x = v₀·t + ½·a·t²

Bileşke Kuvvet

Fnet = √(Fx² + Fy²)

Hatırlatma: Kuvvet vektörel bir büyüklüktür. Bileşenlerine ayrılırken trigonometrik fonksiyonlar kullanılır. Net kuvvet, tüm kuvvetlerin vektörel toplamıdır.

17. Alıştırma

1. Ünite: Kuvvet ve Hareket · 1.3. Newton'ın Hareket Yasaları

Sayfa 50
1. KUVVET VE HAREKET
1.3. Newton'ın Hareket Yasaları (Etki-Tepki ve İvme)
17
17. Alıştırma: Buzda İtilen baba ve Kızı
Etki-tepki kuvvetleri ve ivme karşılaştırması

Sürtünmesi ihmal edilen yatay buz zemin üzerinde görseldeki gibi yüz yüze ayakta duran baba ve küçük kızı, ellerini zemine paralel bir şekilde birleştiriyor. Daha sonra baba ve kız birbirini hafifçe iterek harekete geçiyor.

........

Buna göre

a) Görsel üzerinde etki-tepki kuvvetlerini gösteriniz.

Çözüm:

Etki-Tepki Kuvvetleri:

  • Etki Kuvveti (Fetki): baba, kızını iterek kızına bir kuvvet uygular. Bu kuvvet kızı sağa doğru hareket ettirir.
  • Tepki Kuvveti (Ftepki): Kızı da baba üzerine eşit büyüklükte ve zıt yönde bir kuvvet uygular. Bu kuvvet babayi sola doğru hareket ettirir.
  • Önemli Nokta: Etki ve tepki kuvvetleri farklı cisimlere etki ettiği için birbirini dengelemez. Bu nedenle her iki cisim de hareket eder.
Cevap: baba ve kızı arasındaki etki-tepki kuvvetleri eşit büyüklükte ve zıt yönlüdür. Bu kuvvetler görselde oklarla gösterilmiştir.

b) baba ve kız birbirini ittikten sonra kimin daha hızlı hareket edeceğini Newton'ın II ve III. Hareket Yasalarını kullanarak açıklayınız.

Çözüm:

III. Hareket Yasası (Etki-Tepki):

baba ve kızı birbirini ittiğinde, birbirlerine eşit büyüklükte ve zıt yönde kuvvet uygularlar. Yani Fbaba→kız = Fkız→baba = F

II. Hareket Yasası (F = m · a):

Bu eşit kuvvet, baba ve kızın ivmelerini kütlelerine bağlı olarak belirler.

  • baba için: ababa = F / mbaba
  • Kızı için: akız = F / mkız

Karşılaştırma:

Küçük kızın kütlesi (mkız), babanin kütlesinden (mbaba) daha küçüktür: mkız < mbaba

Kuvvetler eşit olduğu için, kütlesi küçük olan kız daha büyük ivme kazanır: akız > ababa

Cevap: Newton'ın III. Yasası gereği etki-tepki kuvvetleri eşit büyüklüktedir. Newton'ın II. Yasası gereği ivme, kütleyle ters orantılıdır. Küçük kızın kütlesi babasinden küçük olduğu için kız daha büyük bir ivme kazanır ve babaden daha hızlı hareket eder.
Newton'ın Hareket Yasaları - Özet
III. Yasa (Etki-Tepki)

Etki ve tepki kuvvetleri eşit büyüklükte ve zıt yönlüdür. Farklı cisimlere etki eder.

II. Yasa (F = m·a)

Aynı kuvvet için kütlesi küçük olan cisim daha büyük ivme kazanır.

Sonuç

Kütlesi küçük olan kız, babasinden daha hızlı hareket eder.

Hatırlatma: Etki-tepki kuvvetleri farklı cisimlere etki ettiği için birbirini dengelemez. Bu nedenle her iki cisim de hareket eder.

Alıştırmalar

1. Ünite: Kuvvet ve Hareket · 1.3. Newton'ın Hareket Yasaları

Sayfa 51
1. KUVVET VE HAREKET
1.3. Newton'ın Hareket Yasaları (Etki-Tepki ve Net Kuvvet)
18
18. Alıştırma: Sandığı Çeken Ahmet
Etki-tepki kuvvetleri ve net kuvvet ilişkisi

Ahmet, sürtünmeli yatay zemin üzerinde durmakta olan şekildeki sandığı çekmeye çalışıyor. Sandığa +x yönünde kuvvet uyguladığında sandığın da kendine aynı büyüklükte ve zıt yönlü bir tepki kuvveti uyguladığını düşünüyor. Uygulanan kuvvet değeri ne olursa olsun bileşke kuvvet değerinin daima sıfır olacağını ve sandığı çekmenin mümkün olamayacağını ileri sürüyor.

........

Soru: Bu durumda Ahmet'in sandığı harekete geçirmesi mümkün müdür? Ahmet'in görüşlerini değerlendirerek varsa hatalı noktaları düzeltiniz.

Çözüm:

Ahmet'in görüşü hatalıdır. Sandık harekete geçirilebilir.

Ahmet'in Hatalı Noktası:

Ahmet, etki-tepki kuvvetlerinin aynı cisim üzerinde etki ettiğini düşünmektedir. Oysa Newton'ın III. Hareket Yasası'na göre etki ve tepki kuvvetleri farklı cisimlere etki eder. Bu nedenle birbirlerini dengelemezler.

Doğru Analiz:

  • Etki Kuvveti: Ahmet, sandığa +x yönünde F kuvveti uygular.
  • Tepki Kuvveti: Sandık da Ahmet'e -x yönünde F büyüklüğünde kuvvet uygular.
  • Bu iki kuvvet farklı cisimlere (biri sandığa, diğeri Ahmet'e) etki eder.
  • Sandığa etki eden net kuvvet: Sandığa etki eden tek yatay kuvvet Ahmet'in uyguladığı F kuvvetidir. (Sürtünme kuvveti de dikkate alınmalıdır, ancak F > Fsürtünme ise sandık hareket eder.)

Sonuç:

Sandığa etki eden net kuvvet, Ahmet'in uyguladığı kuvvet ile sürtünme kuvveti arasındaki farka eşittir. Ahmet, yeterince büyük bir kuvvet uygularsa (sürtünme kuvvetini yenecek kadar) sandığı harekete geçirebilir. Ahmet'in sandığa uyguladığı kuvvet, sandığın Ahmet'e uyguladığı tepki kuvvetiyle dengelenmez; çünkü bunlar farklı cisimlere etki eder.

Cevap: Evet, Ahmet sandığı harekete geçirebilir. Ahmet'in hatası, etki ve tepki kuvvetlerinin aynı cisim üzerinde etki ettiğini düşünmesidir. Oysa bu kuvvetler farklı cisimlere etki ettiği için birbirini dengelemez. Sandığa etki eden net kuvvet F - Fsürtünme olduğundan, uygun büyüklükte bir kuvvetle sandık hareket ettirilebilir.
19
19. Alıştırma: Etki-Tepki Örnekleri
Öğrenci ifadelerinin değerlendirilmesi

Bir fizik dersinde öğretmen, öğrencilerinden Newton'ın III. Hareket Yasası olan etki-tepki prensibine günlük hayattan örnekler vermelerini istiyor.

Yunus:

"Cama atılan bir futbol topunun camı kırmasının nedeni, cama uygulanan kuvvetin topa uygulanan kuvvetten daha büyük olmasıdır."

Emre:

"Düşey tahta bir zemine çivi çakılırken çekicin çiviye uyguladığı kuvvet çivinin tahta zemine girmesini sağlarken çekicin geri sekmesinin nedeni çivinin çekice uyguladığı tepki kuvvetidir."

Özgü:

"Hızla hareket eden bir aracın rüzgâr koruyucusuna çarpan bir sinek arabaya küçük bir kuvvet, araba ise sineğe büyük bir kuvvet uygular."

Soru: Öğretmenin bu örneklerle ilgili geri bildirimleri ne şekilde olmalıdır? Açıklayınız. Hatalı noktalar varsa düzeltiniz.

Çözüm:

Yunus'un İfadesi: Hatalı

Hata: Yunus, etki ve tepki kuvvetlerinin büyüklüklerinin farklı olduğunu düşünmektedir. Oysa Newton'ın III. Yasası'na göre etki ve tepki kuvvetleri her zaman eşit büyüklüktedir.

Doğrusu: Top cama çarptığında, top cama F büyüklüğünde kuvvet uygular; cam da topa eşit büyüklükte F kuvveti uygular. Camın kırılmasının nedeni, uygulanan kuvvetin camın dayanıklılık sınırını aşmasıdır; kuvvetlerin farklı olması değildir.

Emre'nin İfadesi: Doğru

Açıklama: Çekiç çiviye kuvvet uyguladığında (etki), çivi de çekice eşit büyüklükte ve zıt yönde kuvvet uygular (tepki). Bu tepki kuvveti, çekicin geri sekmesine neden olur. Emre'nin ifadesi Newton'ın III. Yasası'na uygundur.

Özgü'nün İfadesi: Hatalı

Hata: Özgü, arabanın sineğe daha büyük bir kuvvet uyguladığını düşünmektedir. Oysa etki ve tepki kuvvetleri her zaman eşit büyüklüktedir.

Doğrusu: Sinek arabaya F büyüklüğünde kuvvet uygular; araba da sineğe eşit büyüklükte F kuvveti uygular. Sineğin ezilmesinin nedeni, aynı kuvvetin sineğin çok küçük kütlesi üzerinde çok büyük bir ivme oluşturmasıdır (a = F/m). Yani kuvvetler eşittir; ancak kütleler farklı olduğu için ivmeler farklıdır.

Öğretmenin Geri Bildirimi: Öğretmen, Emre'nin ifadesini onaylamalı; Yunus ve Özgü'nün ifadelerindeki hataları düzelterek etki-tepki kuvvetlerinin her zaman eşit büyüklükte ve zıt yönde olduğunu, ancak farklı cisimlere etki ettikleri için farklı sonuçlar doğurabileceğini açıklamalıdır.
Etki-Tepki Yasası - Önemli Noktalar
Eşit Büyüklük

Etki ve tepki kuvvetleri her zaman eşit büyüklüktedir.

Zıt Yön

Etki ve tepki kuvvetleri zıt yönlerdedir.

Farklı Cisimler

Etki ve tepki kuvvetleri farklı cisimlere etki eder, bu yüzden birbirini dengelemez.

Farklı İvme

Eşit kuvvet, farklı kütlelerde farklı ivmeler oluşturur (a = F/m).

Hatırlatma: Etki-tepki kuvvetleri aynı cisim üzerinde etki etseydi, hiçbir cisim hareket edemezdi. Bu kuvvetler farklı cisimlere etki ettiği için cisimler hareket edebilir.

20. Alıştırma

1. Ünite: Kuvvet ve Hareket · 1.3. Newton'ın Hareket Yasaları

Sayfa 52
1. KUVVET VE HAREKET
1.3. Newton'ın Hareket Yasaları (Etki-Tepki Kuvvet Çiftleri)
20
20. Alıştırma: Etki-Tepki Kuvvet Çiftleri
Görsellerdeki olayların Newton'ın III. Yasası ile incelenmesi

Aşağıda verilen görselleri ve açıklamalarını Newton'ın III. Hareket Yasası'nı göz önünde bulundurarak inceleyiniz. Olaylarda sözü edilen kuvvetlerin etki-tepki kuvvet çifti olup olmadığını gerekçeleriyle açıklayınız.

........

1. Olay: Yüzücü ve Havuz Duvarı

Havuz içinde dönüş gerçekleştirirken ayakları ile havuz duvarına kuvvet uygulayan bir yüzücü ile duvarın yüzücüye uyguladığı kuvvet

Değerlendirme:

Evet, etki-tepki kuvvet çiftidir.
  • Etki: Yüzücünün ayağı duvara kuvvet uygular.
  • Tepki: Duvar da yüzücünün ayağına eşit büyüklükte ve zıt yönde kuvvet uygular.
  • Sonuç: Bu iki kuvvet farklı cisimlere (duvar ve yüzücü) etki ettiği için etki-tepki çiftidir. Yüzücü, duvarın uyguladığı tepki kuvveti sayesinde ileri doğru hareket eder.
G N
2. Olay: Vazo ve Masa

Yatay bir masa üzerinde duran vazonun ağırlığı ile masa yüzeyinin vazoya uyguladığı kuvvet

Değerlendirme:

Hayır, etki-tepki kuvvet çifti değildir.
  • Vazonun ağırlığı (G): Dünya'nın vazoya uyguladığı kütle çekim kuvvetidir.
  • Masanın vazoya uyguladığı kuvvet (N): Masa yüzeyinin vazoya uyguladığı normal kuvvetidir.
  • Neden etki-tepki değildir? Bu iki kuvvet aynı cisme (vazoya) etki etmektedir. Etki-tepki kuvvetleri ise farklı cisimlere etki etmelidir. Burada kuvvetler aynı cisim üzerinde etki ettiği için birbirini dengeler ve vazo hareketsiz kalır.
  • Doğru etki-tepki çiftleri:
    • Dünya'nın vazoya uyguladığı kuvvet ↔ Vazonun Dünya'ya uyguladığı kuvvet
    • Vazonun masaya uyguladığı kuvvet ↔ Masanın vazoya uyguladığı kuvvet
Gaz İtme
3. Olay: Roket Motoru ve Gazlar

Roket motorunun gazları aşağı doğru iterken uyguladığı kuvvet ile gazların rokete yukarı doğru uyguladığı kuvvet

Değerlendirme:

Evet, etki-tepki kuvvet çiftidir.
  • Etki: Roket motoru, gazları aşağı doğru iter (gazlara aşağı yönlü kuvvet uygular).
  • Tepki: Gazlar da rokete yukarı doğru eşit büyüklükte kuvvet uygular.
  • Sonuç: Bu iki kuvvet farklı cisimlere (roket ve gazlar) etki ettiği için etki-tepki çiftidir. Roket, gazların uyguladığı tepki kuvveti sayesinde yukarı doğru hareket eder.
........

4. Olay: Yürüyen Kadın

Ayağıyla zemini geriye doğru iterken zeminin ayağını ileriye doğru itmesi sonucu harekete geçen kadın

Değerlendirme:

Evet, etki-tepki kuvvet çiftidir.
  • Etki: Kadının ayağı zemine geriye doğru kuvvet uygular (sürtünme kuvveti ile).
  • Tepki: Zemin de kadının ayağına ileri doğru eşit büyüklükte kuvvet uygular.
  • Sonuç: Bu iki kuvvet farklı cisimlere (kadın ve zemin) etki ettiği için etki-tepki çiftidir. Kadın, zeminin uyguladığı tepki kuvveti sayesinde ileri doğru hareket eder.
........

5. Olay: Dünya ve Ay Arasındaki Kütle Çekim Kuvveti

Dünya ve Ay arasında oluşan kütle çekim kuvveti

Değerlendirme:

Evet, etki-tepki kuvvet çiftidir.
  • Etki: Dünya, Ay'a kütle çekim kuvveti uygular.
  • Tepki: Ay da Dünya'ya eşit büyüklükte ve zıt yönde kütle çekim kuvveti uygular.
  • Sonuç: Bu iki kuvvet farklı cisimlere (Dünya ve Ay) etki ettiği için etki-tepki çiftidir. Newton'ın III. Yasası, kütle çekim kuvveti için de geçerlidir. (Newton'ın genel çekim yasası: F = G·m₁·m₂/d²)
Ö
Özet Tablo: Etki-Tepki Kuvvet Çiftleri
Tüm olayların karşılaştırması
Olay Etki-Tepki Çifti mi? Neden?
1. Yüzücü ve Havuz Duvarı Evet Farklı cisimlere (yüzücü ayağı ve duvar) etki eder.
2. Vazo ve Masa Hayır Aynı cisme (vazoya) etki eder; birbirini dengeler.
3. Roket ve Gazlar Evet Farklı cisimlere (roket ve gazlar) etki eder.
4. Yürüyen Kadın Evet Farklı cisimlere (kadın ayağı ve zemin) etki eder.
5. Dünya ve Ay Evet Farklı cisimlere (Dünya ve Ay) etki eder.
Kritik Kural: Etki-tepki kuvvet çifti olabilmesi için kuvvetlerin farklı cisimlere etki etmesi gerekir. Aynı cisme etki eden kuvvetler etki-tepki çifti değil, dengelenmiş kuvvetlerdir.

5. Etkinlik: Serbest Cisim Diyagramları

1. Ünite: Kuvvet ve Hareket · 1.3. Newton'ın Hareket Yasaları

Sayfa 53-55
1. KUVVET VE HAREKET
1.3. Newton'ın Hareket Yasaları (Serbest Cisim Diyagramları)
1
Serbest Cisim Diyagramları
Görselleri inceleyerek cisimlere etki eden kuvvetleri belirleme

Aşağıda verilen görselleri inceleyiniz. Örnekten yararlanarak diğer görselleri yorumlayınız ve cisimlere etki eden tüm kuvvetleri belirleyiniz. Belirlediğiniz kuvvetleri serbest cisim diyagramını kullanarak gösteriniz.

Örnek: Blok Çekme
Görsel Açıklama Cisimlere Etki Eden Kuvvetler Serbest Cisim Diyagramı
........

Düzgün yatay bir zemin üzerinde yere paralel bir ip yardımı ile +x yönünde çekilen bir blok

T: Bloka ip boyunca uygulanan yatay kuvvet (ipteki gerilme kuvveti)

G: Blokun ağırlığı

N: Normal kuvvet

x y T N G
1. Görsel: Eğik Düzlemde Kızak
Görsel Açıklama Cisimlere Etki Eden Kuvvetler Serbest Cisim Diyagramı
........

Eğik düzlem üzerinde bulunan bir kızak

G: Kızağın ağırlığı (aşağı yönlü)

N: Normal kuvvet (yüzeye dik)

G·sinθ: Ağırlığın eğik düzleme paralel bileşeni (kayma yönünde)

........

2. Görsel: Ağaçlar Arasına Gerilmiş İpte Asılı Sırt Çantası
Görsel Açıklama Cisimlere Etki Eden Kuvvetler Serbest Cisim Diyagramı
........

Ağaçlar arasına gerilmiş iki ipin ortasına asılmış sırt çantası

G: Sırt çantasının ağırlığı (aşağı yönlü)

T₁: Sol ipteki gerilme kuvveti (sola-yukarı)

T₂: Sağ ipteki gerilme kuvveti (sağa-yukarı)

........

3. Görsel: Masaya Bastırılan Kitap
Görsel Açıklama Cisimlere Etki Eden Kuvvetler Serbest Cisim Diyagramı
........

Yatay masa üzerinde duran bir kitaba el ile aşağı yönlü kuvvet uygulanması

G: Kitabın ağırlığı (aşağı)

F: Elin kitaba uyguladığı kuvvet (aşağı)

N: Masanın kitaba uyguladığı normal kuvveti (yukarı)

........

4. Görsel: Duvara Çarpan Araç
Görsel Açıklama Cisimlere Etki Eden Kuvvetler Serbest Cisim Diyagramı
........

Sabit hızla ilerleyen bir aracın duvara çarpması

G: Aracın ağırlığı (aşağı)

N: Yerin araca uyguladığı normal kuvveti (yukarı)

Fduvar: Duvarın araca uyguladığı tepki kuvveti (sola)

Fmotor: Motorun araca uyguladığı itme kuvveti (sağa) - çarpışma anında etkisiz

........

5. Görsel: Tavana Asılı Lamba
Görsel Açıklama Cisimlere Etki Eden Kuvvetler Serbest Cisim Diyagramı

Tavana zincirle asılı bir lamba

G: Lambanın ağırlığı (aşağı)

T: Zincirdeki gerilme kuvveti (yukarı)

T G
6. Görsel: Kızakla Çocuk Çeken Baba
Görsel Açıklama Cisimlere Etki Eden Kuvvetler Serbest Cisim Diyagramı

Baba, karda kızakla oturan çocuğu ip ile çekiyor.

Kızak+Çocuk Sistemi İçin:

G: Sistemin ağırlığı (aşağı)

N: Kar zemininin uyguladığı normal kuvveti (yukarı)

T: İpteki gerilme kuvveti (çekme yönünde)

G N T
2
Newton'ın Hareket Yasaları Soruları
Aşağıdaki soruları Newton'ın Hareket Yasalarından yararlanarak cevaplayınız.

1. Bir kişi tekneden rıhtıma atladığında tekne bu durumdan nasıl etkilenir?

Cevap:

Kişi rıhtıma atlarken ayaklarıyla tekneye geriye doğru bir kuvvet uygular (etki). Newton'ın III. Yasası gereği tekne de kişiye ileri doğru eşit büyüklükte bir kuvvet uygular (tepki). Ancak tekne su üzerinde serbest hareket edebildiği için, kişinin uyguladığı etki kuvveti tekneyi geriye doğru iter. Yani kişi rıhtıma atlarken tekne geriye doğru hareket eder.

2. Dengelenmiş kuvvetlerin etkisinde kalan bir cismin hareketini yorumlayınız.

Cevap:

Dengelenmiş kuvvetlerin etkisinde kalan bir cismin üzerine etki eden net kuvvet sıfırdır (Fnet = 0). Newton'ın I. Hareket Yasası (Eylemsizlik) gereği:

  • Cisim duruyorsa durmaya devam eder.
  • Cisim hareket ediyorsa sabit hızla (doğrusal) hareketine devam eder.

3. Sabit hızla doğu yönünde 10 m/s hızla ilerleyen 2 kg kütleli bir araca kaç N bileşke kuvvet etki ettiğini bulunuz.

Cevap:

Araç sabit hızla ilerlediği için ivmesi sıfırdır (a = 0). Newton'ın II. Yasası'na göre:

Fnet = m · a = 2 · 0 = 0 N

Sabit hızla hareket eden bir cisme etki eden bileşke kuvvet sıfırdır.

4. Yukarıya doğru fırlatılan bir top, maksimum yüksekliğe çıktığı an herhangi bir kuvvetin etkisinde kalır mı? Açıklayınız.

Cevap:

Evet, kalır. Top maksimum yüksekliğe ulaştığında anlık hızı sıfır olur, ancak yer çekimi kuvveti (ağırlık) etki etmeye devam eder. Hava direnci ihmal edildiğinde topa etki eden tek kuvvet yer çekimi kuvvetidir (G = m·g). Bu nedenle top, maksimum yükseklikte de aşağı yönlü yer çekimi ivmesi (g) etkisindedir ve hemen düşmeye başlar.

5. Yukarı yönde düzgün hızlanarak ilerleyen bir asansörün içinde ağırlığınızda bir değişim hisseder misiniz? Açıklayınız.

Cevap:

Evet, hissederim. Asansör yukarı yönde hızlanırken (ivme yukarı yönlü), size etki eden net kuvvet artar. Bu durumda zeminin size uyguladığı normal kuvveti (N) artar. Normal kuvvet, ağırlığınızdan (G) büyük olur:

N = m·(g + a) > m·g = G

Bu nedenle kendinizi daha ağır hissedersiniz. (Asansör aşağı yönde hızlanırsa kendinizi daha hafif hissedersiniz.)

6. Sürtünmesi ihmal edilen, hareketsiz bir kamyonet kasasında bir kutu duruyor. Daha sonra araç durgun hâlden harekete geçiyor. Kutunun araç harekete geçtiği andaki hareketini yorumlayınız.

Cevap:

Araç harekete geçtiğinde, kutu eylemsizliği nedeniyle konumunu korumak ister. Araç ileri doğru hareket ederken, kutu (sürtünme olmadığı için) araçla birlikte hareket etmez ve aracın arka tarafına doğru kayar. Bu olay, Newton'ın I. Hareket Yasası (Eylemsizlik) ile açıklanır.

7. Yangın hortumundan tazyikli su sıkmaya başlayan bir itfaiye eri bu durumdan nasıl etkilenir?

Cevap:

Newton'ın III. Hareket Yasası (Etki-Tepki) gereği, hortumdan dışarı doğru akan su, itfaiyeciye ters yönde bir tepki kuvveti uygular. İtfaiye eri, hortumun ucunu tutarken suyun itme kuvvetine karşı koymak zorunda kalır ve geriye doğru itilir. Bu nedenle hortumu sıkıca tutmak ve dengeyi sağlamak gerekir.

8. Yatay düzleme paralel bir kuvvetölçerin (dinamometre) iki ucuna bağlanmış esnemeyen ipleri iki kişi uçlarından tutarak yatay düzleme paralel ve zıt yönlerde F kuvvetiyle çektiğinde kuvvetölçer kaç F değerini gösterir?

Cevap:

Kuvvetölçer F değerini gösterir. Newton'ın III. Hareket Yasası gereği, iki kişi zıt yönlerde F kuvveti uyguladığında dinamometreye etki eden net kuvvet sıfırdır (hareketsiz kalır). Ancak dinamometrenin üzerindeki gerilme kuvveti (okuduğu değer) her iki taraftan uygulanan kuvvete eşittir, yani F'dir. (Bir ucu duvara bağlayıp diğer ucundan F kuvvetiyle çekmekle aynı sonucu verir.)

3
Newton'ın Hareket Yasalarını İfade Etme
Kendi cümlelerinizle

Birinci adımda çizdiğiniz serbest cisim diyagramlarından ve ikinci adımdaki sorulara verdiğiniz cevaplardan yola çıkarak Newton'ın Hareket Yasalarını kendi cümlelerinizle ifade ediniz.

Cevap:

Newton'ın I. Hareket Yasası (Eylemsizlik):

Bir cisim üzerine etki eden net kuvvet sıfır ise, duran cisim durmaya devam eder, hareket eden cisim ise sabit hızla doğrusal hareketine devam eder. Cisimlerin hareket durumundaki değişime karşı koyma eğilimine eylemsizlik denir.

Newton'ın II. Hareket Yasası (F = m·a):

Bir cismin ivmesi, üzerine etki eden net kuvvetle doğru orantılı, cismin kütlesiyle ters orantılıdır. Matematiksel olarak: Fnet = m · a

Newton'ın III. Hareket Yasası (Etki-Tepki):

Bir cisim başka bir cisme kuvvet uyguladığında, ikinci cisim de birinci cisme eşit büyüklükte ve zıt yönde bir kuvvet uygular. Etki ve tepki kuvvetleri farklı cisimlere etki eder ve birbirini dengelemez.

4
Serbest Cisim Diyagramlarının Rolü
Tartışma sorusu

Serbest cisim diyagramının bir cisme etki eden net kuvveti hesaplamaya yönelik matematiksel problemlerin çözümündeki rolünü arkadaşlarınızla tartışınız.

Tartışma Sonucu:

Serbest Cisim Diyagramının Rolü:

  • Görselleştirme: Cisme etki eden tüm kuvvetleri (ağırlık, normal kuvvet, sürtünme, gerilme, uygulanan kuvvet vb.) tek bir şemada göstererek problemi netleştirir.
  • Kuvvetlerin Yönü: Kuvvetlerin yönlerini ve büyüklüklerini doğru bir şekilde belirlemeye yardımcı olur.
  • Net Kuvvet Hesabı: Kuvvetleri bileşenlerine ayırarak (x ve y eksenlerinde) net kuvvetin hesaplanmasını kolaylaştırır.
  • Denklem Kurma: Newton'ın II. Yasası'nı (Fnet = m·a) her eksen için ayrı ayrı uygulayarak matematiksel denklemler kurmayı sağlar.
  • Hata Önleme: Hangi kuvvetlerin dahil edilip edilmeyeceği konusunda karışıklığı önler; sistematik bir çözüm yolu sunar.
Newton'ın Hareket Yasaları - Özet
I. Yasa (Eylemsizlik)

Fnet = 0 → Duran cisim durur, hareket eden cisim sabit hızla hareket eder.

II. Yasa (F = m·a)

İvme, net kuvvetle doğru; kütleyle ters orantılıdır.

III. Yasa (Etki-Tepki)

Etki ve tepki kuvvetleri eşit büyüklükte, zıt yönde ve farklı cisimlere etki eder.

Hatırlatma: Serbest cisim diyagramı, kuvvet problemlerinin çözümünde ilk ve en önemli adımdır. Tüm kuvvetleri doğru belirlemek, doğru sonuca ulaşmanın anahtarıdır.

Çalışma Yaprağı

1. Ünite: Kuvvet ve Hareket · 1.3. Newton'ın Hareket Yasaları

Sayfa 56 1-2.Sorular - Çalışma Yaprağı
1. KUVVET VE HAREKET
1.3. Newton'ın Hareket Yasaları (Serbest Cisim Diyagramları)
1
Çalışma Yaprağı Soruları
Aşağıdaki soruların cevaplarını boş bırakılan alanlara yazınız.

1. Serbest cisim diyagramı nedir?

Cevap:

Serbest cisim diyagramı, bir cisme etki eden tüm kuvvetlerin tek bir şema üzerinde, cismi temsil eden basit bir şekil (genellikle kare veya daire) ve kuvvetleri temsil eden oklarla gösterildiği görsel bir araçtır. Bu diyagramda cisim, üzerine etki eden kuvvetlerden ayrı olarak düşünülür ve çevresiyle olan etkileşimleri kuvvet okları ile ifade edilir.

2. Problem çözümünde serbest cisim diyagramı kullanmanın ne gibi avantajları vardır?

Cevap:

  • Görselleştirme Kolaylığı: Karmaşık problemleri basitleştirerek cisme etki eden tüm kuvvetleri tek bir şemada görme imkânı sağlar.
  • Kuvvetlerin Doğru Belirlenmesi: Hangi kuvvetlerin cisme etki ettiğini net bir şekilde ortaya koyar; unutulan kuvvetleri önler.
  • Net Kuvvetin Hesaplanması: Kuvvetlerin bileşenlerine ayrılmasını ve net kuvvetin (Fnet) doğru bir şekilde hesaplanmasını kolaylaştırır.
  • Denklem Kurma: Newton'ın II. Yasası'nın (Fnet = m·a) her eksen için ayrı ayrı uygulanmasını sağlayarak matematiksel denklemlerin kurulmasını kolaylaştırır.
  • Hata Payını Azaltma: Sistematik bir çözüm yolu sunarak işlem hatalarını ve kavram yanılgılarını en aza indirir.

3. Serbest cisim diyagramı çiziminde hangi hususlara dikkat edilmelidir?

Cevap:

  • Cismin İzole Edilmesi: Cisim, çevresindeki tüm diğer cisimlerden ayrı düşünülmeli; sadece cisme etki eden kuvvetler gösterilmelidir.
  • Tüm Kuvvetlerin Gösterilmesi: Cisme etki eden tüm kuvvetler (ağırlık, normal kuvvet, sürtünme, gerilme, uygulanan kuvvet vb.) eksiksiz olarak gösterilmelidir.
  • Kuvvetlerin Doğru Yönlendirilmesi: Her kuvvet, etki ettiği yönde bir okla gösterilmelidir. (Örneğin; ağırlık her zaman aşağı, normal kuvvet yüzeye dik yönlüdür.)
  • Vektörel Büyüklükler: Kuvvetler vektörel olduğu için okların uzunlukları kuvvetin büyüklüğünü temsil edecek şekilde orantılı çizilmelidir.
  • Koordinat Sistemi: Gerekirse bir koordinat sistemi (x ve y eksenleri) çizilerek kuvvetlerin bileşenlerine ayrılması kolaylaştırılmalıdır.
  • Etiketleme: Her kuvvet, büyüklüğü ve türü ile etiketlenmelidir (örn. G, N, T, F, fs vb.).
  • Ölçek ve Düzen: Diyagram temiz, okunaklı ve anlaşılır olmalıdır; karmaşıklıktan kaçınılmalıdır.
2
Serbest Cisim Diyagramları
Görsellerdeki cisimlerin serbest cisim diyagramlarını çizme

Aşağıda verilen görsellerdeki cisimlerin serbest cisim diyagramını çizerek cisimlerin olası hareketlerini yorumlayınız. Yorumlarınızı boş bırakılan alanlara kısaca yazınız.

Görsel (Sürtünmeler ihmal edilmiştir.) Serbest Cisim Diyagramı ve Yorum
........

........

Yorum: Otomobile etki eden net kuvvet, ağırlığın eğik düzleme paralel bileşeni olan G·sinα'dır. Bu kuvvet, otomobili eğik düzlem boyunca aşağı doğru hareket ettirir.

Görsel (Sürtünmeler ihmal edilmiştir.) Serbest Cisim Diyagramı ve Yorum
m₁ m₂ F m₁ m₂ F F₁₂ G₁ N₁ F₂₁ G₂ N₂

Yorum: m₁'e uygulanan F kuvveti, m₁'i sağa doğru hareket ettirir. m₁, m₂'ye F₁₂ kuvveti uygular; m₂ de m₁'e eşit büyüklükte ve zıt yönde F₂₁ tepki kuvveti uygular (III. Yasa). İki blok birlikte sağa doğru hareket eder.

Görsel (Sürtünmeler ihmal edilmiştir.) Serbest Cisim Diyagramı ve Yorum
........

........

Yorum: Bloğa açılı F kuvveti uygulanıyor. F kuvvetinin yatay bileşeni (F·cosθ) bloğu sağa doğru iterek duvara bastırır. Duvar da bloğa eşit büyüklükte ve zıt yönde tepki kuvveti uygular (III. Yasa). Blok, hareketsiz kalır.

Görsel (Sürtünmeler ihmal edilmiştir.) Serbest Cisim Diyagramı ve Yorum
........

........

Yorum: Kamyon sabit hızla hareket ederken top, ipteki gerilme kuvveti (T) ve ağırlık (G) etkisindedir. Kamyon hızlanırsa top eylemsizlik nedeniyle geriye doğru savrulur. Kamyon yavaşlarsa top ileri doğru savrulur. Bu olay, Newton'ın I. Yasası (Eylemsizlik) ile açıklanır.

Görsel (Sürtünmeler ihmal edilmiştir.) Serbest Cisim Diyagramı ve Yorum
........

........

Yorum: B bloğunun ağırlığı (GB) ip üzerinden A bloğuna gerilme kuvveti (T) olarak iletilir. A bloğu, bu T kuvveti ile sağa doğru hareket eder; B bloğu ise aşağı doğru düşer. Eğer GB > sürtünme kuvveti ise sistem hareket eder.

Serbest Cisim Diyagramı - Özet
Cismi İzole Et

Sadece cisme etki eden kuvvetleri göster.

Tüm Kuvvetleri Göster

Ağırlık, normal, sürtünme, gerilme, uygulanan kuvvet...

Ölçekli Çiz

Kuvvet oklarının uzunluğu büyüklüğüyle orantılı olsun.

Hatırlatma: Serbest cisim diyagramı, Newton'ın hareket yasalarını uygulayarak problem çözmenin ilk ve en kritik adımıdır.

3-4. Sorular

1. Ünite: Kuvvet ve Hareket · 1.3. Newton'ın Hareket Yasaları

Sayfa 57
1. KUVVET VE HAREKET
1.3. Newton'ın Hareket Yasaları (Serbest Cisim Diyagramları ve Uygulamalar)
3
3. Soru: K ve L Kutuları
Serbest cisim diyagramları, ivme ve ip gerilmesi

Ağırlıksız ve esnemeyen bir iple birbirine bağlı 2 kg kütleli K kutusu ile 3 kg kütleli L kutusu, sürtünmesi ihmal edilen yatay bir düzlemde durmaktadır. L kutusu üzerine şekildeki gibi 20 N büyüklüğünde yatay bir F kuvveti uygulanmaktadır.

........

a) K ve L kutularının ayrı ayrı serbest cisim diyagramlarını çiziniz.

Çözüm:

K Kutusu Serbest Cisim Diyagramı

........

L Kutusu Serbest Cisim Diyagramı

........

K kutusu için kuvvetler:

  • Düşeyde: Aşağı yönlü ağırlık (GK) ve yukarı yönlü normal kuvvet (NK)
  • Yatayda: Sağa yönlü ip gerilmesi kuvveti (T)

L kutusu için kuvvetler:

  • Düşeyde: Aşağı yönlü ağırlık (GL) ve yukarı yönlü normal kuvvet (NL)
  • Yatayda: Sağa yönlü uygulanan kuvvet (F = 20 N) ve sola yönlü ip gerilmesi kuvveti (T)

b) K ve L kutularının ivmesinin kaç N/kg (m/s²) olacağını bulunuz.

Çözüm:

1. Adım: Toplam kütleyi bulalım

mtoplam = mK + mL

mtoplam = 2 + 3 = 5 kg

2. Adım: İvmeyi bulalım (Newton'ın II. Yasası)

a = Fnet / mtoplam

a = 20 / 5 = 4 N/kg (m/s²)

Cevap: K ve L kutularının ivmesi 4 m/s²'dir. (Sistem birlikte hareket ettiği için ivmeleri eşittir.)

c) Kutuları birbirine bağlayan ip üzerindeki gerilme kuvvetinin kaç N olacağını bulunuz.

Çözüm:

Sadece K kutusu üzerinden hesaplayalım:

K kutusuna etki eden net kuvvet sadece ip gerilmesi (T)'dir.

Fnet, K = T = mK · a

T = 2 · 4 = 8 N

Kontrol (L kutusu üzerinden):

L kutusuna etki eden net kuvvet: Fnet, L = F - T

F - T = mL · a

20 - T = 3 · 4 = 12

T = 20 - 12 = 8 N ✓

Cevap: İpteki gerilme kuvveti 8 N'dir.
4
4. Soru: Leonardo da Vinci'nin Gözlemleri
Gözlemlerini çizimlere dönüştürmesinin sebepleri

Leonardo da Vinci, doğadaki mekanik düzenleri ve canlıların yapılarını inceleyerek bunları çizimlere dönüştürmüştür. Bu gözlemlerini çizimlere dönüştürmesinin sebepleri neler olabilir?

Cevap:

1. Bilimsel ve Sistematik Bir Belge Oluşturmak

Doğada ve canlılarda (örneğin kuşların kanat yapısında) gördüğü mekanik düzenleri ve oranları kalıcı hâle getirmek, daha sonraki çalışmalarında inceleyebilmek.

2. Teorilerini Tasarıma Dönüştürmek

Doğadaki gözlemlerinden ilham alarak uçma makineleri gibi dönemin ötesinde pek çok mekanik araç ve icat fikrini somut mühendislik projelerine çevirmek.

3. Gözlem ve Deney İlişkisini Güçlendirmek

Rönesans dönemi anlayışına uygun olarak, doğayı anlamanın yolunun dikkatli gözlemden geçtiğini kanıtlamak ve fikirlerini anlaşılır kılmak.

Sonuç: Leonardo da Vinci'nin çizimleri; bilimsel gözlemi, mühendislik tasarımını ve sanatsal ifadeyi birleştiren çok yönlü bir yaklaşımın ürünüdür. Bu çizimler, modern bilimsel yöntemin ve mühendislik pratiğinin erken örnekleri olarak kabul edilir.
İp Gerilmesi ve Sistem Problemleri - Özet
Sistem İvmesi

a = Fnet / mtoplam

İp Gerilmesi

T = m · a (izole cisim üzerinden)

Kontrol

Her iki cisim için de aynı T değeri bulunmalıdır.

Hatırlatma: Birbirine bağlı cisimlerden oluşan sistemlerde, sistemin tamamı için ivme hesaplandıktan sonra ip gerilmesi, cisimlerden biri izole edilerek bulunabilir.

21. Alıştırma

1. Ünite: Kuvvet ve Hareket · 1.3. Newton'ın Hareket Yasaları

Sayfa 59
1. KUVVET VE HAREKET
1.3. Newton'ın Hareket Yasaları (Eğik Kuvvet Uygulaması)
21
21. Alıştırma: Elif ve Kızak
Eğik kuvvet uygulanan sistemin analizi

Elif, sürtünmesi ihmal edilen karlı yatay zemin üzerinde duran kızakta oturuyor. Emre, Elif'i şekildeki gibi yatay eksenle 37° açı yapacak şekilde omuzlarından 100 N büyüklüğünde bir kuvvetle itiyor. Elif ve kızak birlikte harekete başlıyor.

Elif'in kızakla birlikte toplam kütlesi 60 kg olduğuna göre (sin37° = 0,6; cos37° = 0,8; g = 10 N/kg alınız.)

........

a) Elif ve kızaktan oluşan sistemin serbest cisim diyagramını çizerek sistemin hareketini yorumlayınız.

Çözüm:

Diyagramda Yer Alan Kuvvetler:

  • Yer çekimi kuvveti (G): Düşey doğrultuda aşağı yönlüdür. G = m·g = 60·10 = 600 N
  • Yüzeyin tepki kuvveti (Normal kuvvet, N): Düşey doğrultuda yukarı yönlüdür.
  • Uygulanan kuvvet (F): 37° açıyla yatay eksene doğru yönelmiştir. Bu kuvvetin iki bileşeni vardır:
    • Yatay bileşen (Fx = F·cos37°): Sağa doğru yönelmiştir.
    • Düşey bileşen (Fy = F·sin37°): Aşağı doğru yönelmiştir.

Sistemin Serbest Cisim Diyagramı

........

Hareketin Yorumu:

Zemin sürtünmesiz olduğu için düşey doğrultuda hareket gerçekleşmez (kuvvetler dengededir). Yatay doğrultuda ise dengelenmemiş net bir kuvvet (Fx) olduğundan, sistem yatay düzlemde sağa doğru hızlanan (ivmeli) hareket yapar.

Cevap: Sistem, yatayda Fx = 80 N'luk net kuvvetin etkisiyle sağa doğru ivmeli hareket yapar. Düşeyde ise hareket yoktur.

b) Karlı zeminin kızağa uyguladığı normal kuvveti hesaplayınız.

Çözüm:

Düşey doğrultuda denge denklemi:

Yukarı yönlü kuvvetler = Aşağı yönlü kuvvetler

N = G + Fy

1. Adım: Ağırlığı hesaplayalım

G = m · g

G = 60 · 10 = 600 N

2. Adım: Kuvvetin düşey bileşenini bulalım

Fy = F · sin37°

Fy = 100 · 0,6 = 60 N

3. Adım: Normal kuvveti bulalım

N = 600 + 60 = 660 N

Cevap: Karlı zeminin kızağa uyguladığı normal kuvvet 660 N'dir.

c) Elif'in ivmesinin kaç N/kg olacağını hesaplayınız.

Çözüm:

1. Adım: Yatay doğrultudaki net kuvveti bulalım

Fnet = Fx = F · cos37°

Fnet = 100 · 0,8 = 80 N

2. Adım: İvmeyi hesaplayalım (Newton'ın II. Yasası)

a = Fnet / m

a = 80 / 60 = 4/3 ≈ 1,33 N/kg (m/s²)

Cevap: Elif'in ivmesi 4/3 ≈ 1,33 N/kg (m/s²)'dir.

ç) 37°'lik açının artırılması durumunda karlı zeminin kızağa uyguladığı normal kuvvetin ve kızağın ivme büyüklüğünün nasıl değişeceğini açıklayınız.

Çözüm:

Normal Kuvvet (N):

Açı artırıldığında kuvvetin düşey bileşeni (F · sinθ) büyür.

Bu durum kızağı zemine daha çok bastıracağından normal kuvvet artar.

N = G + F·sinθ → θ artarsa sinθ artar → N artar

İvme Büyüklüğü (a):

Açı artırıldığında kuvvetin yatay bileşeni (F · cosθ) küçülür.

Yataydaki net kuvvet azalacağı için kızağın ivme büyüklüğü azalır.

a = F·cosθ / m → θ artarsa cosθ azalır → a azalır
Sonuç: Açı artırıldığında normal kuvvet artar, ivme azalır. Açı azaltıldığında ise tam tersi olur: normal kuvvet azalır, ivme artar.
Eğik Kuvvet Uygulaması - Önemli Formüller
Yatay Bileşen

Fx = F · cosθ

Düşey Bileşen

Fy = F · sinθ

Normal Kuvvet

N = G + F · sinθ

İvme

a = F · cosθ / m

Hatırlatma: Eğik kuvvet uygulandığında kuvvetin hem yatay hem de düşey bileşeni vardır. Yatay bileşen hareketi sağlarken, düşey bileşen normal kuvveti etkiler.

22. Alıştırma

1. Ünite: Kuvvet ve Hareket · 1.3. Newton'ın Hareket Yasaları

Sayfa 60
1. KUVVET VE HAREKET
1.3. Newton'ın Hareket Yasaları (Eğik Düzlemde Hareket)
22
22. Alıştırma: Su Kaydırağı
Eğik düzlemde ivme ve karşılaştırma

30 kg kütleli bir çocuk ile 60 kg kütleli bir yetişkin, yatayla 37°'lik açı yapan sürtünmesi ihmal edilen sabit eğimli bir su kaydırağının tepesinden aynı anda kaymaya başlıyor. (sin37° = 0,6; cos37° = 0,8; g = 10 N/kg alınız.)

........

Soru: Çocuk ve yetişkinin ivmesini hesaplayarak kimin daha önce kaydırağın uç noktasına ulaşacağını bulunuz.

Çözüm:

Eğik Düzlemde İvme Formülü:

Sürtünmesiz eğik düzlemde bir cismin ivmesi:

a = g · sinθ

İvme Hesabı:

a = g · sin37°

a = 10 · 0,6 = 6 m/s² (N/kg)

Önemli Nokta: Eğik düzlemde ivme, cismin kütlesine bağlı değildir. Sadece yer çekimi ivmesine (g) ve eğim açısına (θ) bağlıdır.

Karşılaştırma:

Kişi Kütle İvme Kayma Süresi
Çocuk 30 kg 6 m/s² Aynı
Yetişkin 60 kg 6 m/s² Aynı
Cevap: Çocuk ve yetişkinin ivmeleri eşittir (6 m/s²). Aynı ivme ile aynı yükseklikten kaymaya başladıkları için kaydırağın uç noktasına aynı anda ulaşırlar. Kütle farkı, sürtünmesiz ortamda hareketi etkilemez.
Eğik Düzlem - Önemli Bilgiler
İvme

a = g · sinθ

Kuvvet Bileşeni

F = m · g · sinθ

Önemli

İvme kütleye bağlı değildir.

Hatırlatma: Sürtünmesiz eğik düzlemde tüm cisimler, kütlelerinden bağımsız olarak aynı ivme ile kayar. Bu nedenle aynı yükseklikten bırakılan cisimler yere aynı anda ulaşır.

23-24. Alıştırmalar

1. Ünite: Kuvvet ve Hareket · 1.3. Newton'ın Hareket Yasaları

Sayfa 62
1. KUVVET VE HAREKET
1.3. Newton'ın Hareket Yasaları (Makara Sistemleri)
23
23. Alıştırma: Makara Sistemi
İvme ve ip gerilmesinin matematiksel modellenmesi

Yandaki şekilde verilen iki bloktan biri pürüzsüz yatay zemin üzerinde durmaktayken diğer blok zeminden aşağı sarkıtılmıştır. Bu iki blok, ağırlığı ihmal edilen bir ip ile şekildeki gibi birbirine bağlanmıştır.

........

Soru: Buna göre blokların ivmesini ve ipteki gerilme kuvvetini m₁, m₂ ve g niceliklerini kullanarak matematiksel olarak modelleyiniz. (Yer çekimi ivmesini g alınız. Sürtünmeleri ihmal ediniz.)

Çözüm:

1. Adım: Serbest Cisim Diyagramları ve Denklemler

m₁ bloğu için (yatay düzlemde):

Yatayda tek kuvvet ip gerilmesi (T)'dir.

T = m₁ · a ....... (I)

m₂ bloğu için (düşey doğrultuda):

Aşağı yönlü ağırlık (m₂·g) ile yukarı yönlü ip gerilmesi (T) etki eder.

m₂·g - T = m₂ · a ....... (II)

2. Adım: İvmenin (a) bulunması

(I) numaralı denklemden T = m₁·a değerini (II)'de yerine yazalım:

m₂·g - m₁·a = m₂·a

m₂·g = m₁·a + m₂·a = a·(m₁ + m₂)

a = (m₂ · g) / (m₁ + m₂)

3. Adım: İp gerilmesinin (T) bulunması

Bulduğumuz ivme değerini (I) numaralı denklemde yerine yazalım:

T = m₁ · a = m₁ · [ (m₂ · g) / (m₁ + m₂) ]

T = (m₁ · m₂ · g) / (m₁ + m₂)

Cevap: Sistemin ivmesi a = (m₂·g) / (m₁ + m₂) ve ipteki gerilme kuvveti T = (m₁·m₂·g) / (m₁ + m₂) olarak modellenir.
24
24. Alıştırma: K ve L Sandıkları
Makara sisteminde ivme hesabı

Özdeş K ve L sandıkları; yatay düzleme paralel, esnemeyen iplerle şekillerdeki gibi sabit, özdeş ve ağırlıksız makaralar yardımıyla çekiliyor. K sandığı G₁ ve G₂ ağırlıklı tuğlalar kullanılarak, L sandığı ise F kuvveti ve G₃ ağırlıklı tuğladan yararlanılarak hareket ettiriliyor.

K Sandığı

........

L Sandığı

........

Soru: K sandığı ile 30 N ağırlığındaki tuğlayı birbirine bağlayan ipteki gerilme kuvvetinin büyüklüğü 18 N ise L sandığının ivmesinin büyüklüğü kaç N/kg'dır? (g = 10 N/kg alınız. Sürtünmeleri ihmal ediniz.)

Çözüm:

1. Adım: K Sisteminden İvmenin ve Sandık Kütlesinin Bulunması

a) Sağdaki asılı tuğlanın (G₂ = 30 N) hareketi:

Tuğlanın kütlesi: m₂ = G₂ / g = 30 / 10 = 3 kg

Bu tuğla için hareket denklemi:

G₂ - T = m₂ · a

30 - 18 = 3 · a

12 = 3a → a = 4 N/kg (m/s²)


b) K sandığının kütlesinin (mK) hesaplanması:

K sisteminin tamamı için net kuvvet:

Fnet, K = G₂ - G₁ = 30 - 10 = 20 N

K sisteminin toplam kütlesi:

mtoplam, K = mK + m₁ + m₂ = mK + 1 + 3 = mK + 4

İvme bağıntısı:

a = Fnet, K / mtoplam, K

4 = 20 / (mK + 4)

4(mK + 4) = 20

mK + 4 = 5

mK = 1 kg

Sandıklar özdeş olduğundan L sandığının kütlesi de mL = 1 kg'dır.

2. Adım: L Sandığının İvmesinin Hesaplanması

a) L sistemindeki net kuvvet (Fnet, L):

Sağ taraftan uygulanan F = 30 N'luk kuvvet ile sol taraftaki G₃ = 10 N'luk tuğlanın ağırlığı zıt yönlü etki eder:

Fnet, L = F - G₃ = 30 - 10 = 20 N


b) L sisteminin toplam kütlesi:

mtoplam, L = mL + m₃ = 1 + 1 = 2 kg


c) L sandığının ivmesi (aL):

aL = Fnet, L / mtoplam, L

aL = 20 / 2 = 10 N/kg (m/s²)

Cevap: L sandığının ivmesinin büyüklüğü 10 N/kg (m/s²)'dir.
Makara Sistemleri - Önemli Formüller
İvme

a = (m₂·g) / (m₁ + m₂)

İp Gerilmesi

T = (m₁·m₂·g) / (m₁ + m₂)

Net Kuvvet

Fnet = Fbüyük - Fküçük

Hatırlatma: Makara sistemlerinde, önce sistemin ivmesi bulunur; ardından istenen ipteki gerilme kuvveti, uygun blok izole edilerek hesaplanır.

25. Alıştırma

1. Ünite: Kuvvet ve Hareket · 1.3. Newton'ın Hareket Yasaları

Sayfa 64
1. KUVVET VE HAREKET
1.3. Newton'ın Hareket Yasaları (İvmeli Sistemlerde Asılı Cisim)
25
25. Alıştırma: İvmeli Vagonda Asılı Cisim
İvme ve ip açısı ilişkisi

Demir yolunda hareketsiz hâlde bulunan görseldeki vagonun tavanına bağlı bir ipin ucuna 3 kg kütleli bir cisim bağlanıyor. Vagon şekildeki gibi a ivmesi ile +x yönünde harekete geçtiğinde ip, düşeyle 17° açı yapacak şekilde açılıyor.

........

Soru: Buna göre vagonun ivmesinin büyüklüğü kaç N/kg'dır? (tan17° = 0,3; g = 10 N/kg alınız. Sürtünmeleri ihmal ediniz.)

Çözüm:

Verilenler:

  • Cisim kütlesi: m = 3 kg
  • İpin düşeyle yaptığı açı: θ = 17°
  • Yer çekimi ivmesi: g = 10 N/kg
  • Açı değeri: tan(17°) = 0,3
  • Sürtünmeler ihmal edilmiştir.

1. Adım: Kuvvet Analizi

Vagon ivmeli hareket ettiğinde, asılı cisme etki eden kuvvetler şu şekildedir:

Düşey doğrultuda: İp gerilmesinin düşey bileşeni (T·cosθ), yer çekimi kuvvetine (m·g) eşittir ve bu doğrultuda hareket yoktur.

T · cos(17°) = m · g

Yatay doğrultuda: İp gerilmesinin yatay bileşeni (T·sinθ), cisme ivme kazandıran net kuvvettir (m·a).

T · sin(17°) = m · a

2. Adım: İvmenin Hesaplanması

Yatay ve düşey denklemler birbirine oranlanırsa T (ip gerilmesi) ve m (kütle) sadeleşir:

[T · sin(17°)] / [T · cos(17°)] = (m · a) / (m · g)

tan(17°) = a / g

Verilen değerler denklemde yerine yazılır:

0,3 = a / 10

a = 10 · 0,3 = 3 N/kg (m/s²)

Cevap: Vagonun ivmesinin büyüklüğü 3 N/kg (m/s²)'dir.
Ek Bilgi: Bu problemde görüldüğü gibi, ivmeli bir sistemde asılı cismin ip açısı, sadece sistemin ivmesine ve yer çekimi ivmesine bağlıdır. Cismin kütlesi (3 kg) sonucu etkilemez, sadece ip gerilmesini belirler.
İvmeli Sistemlerde Asılı Cisim - Önemli Formüller
Düşey Denge

T · cosθ = m · g

Yatay Net Kuvvet

T · sinθ = m · a

İvme-Açı İlişkisi

tanθ = a / g

Hatırlatma: İvmeli sistemlerde asılı cismin ip açısı, sadece sistemin ivmesine (a) ve yer çekimi ivmesine (g) bağlıdır. Cismin kütlesi ip açısını değiştirmez.