Doğadaki Temel Kuvvetler
* Elektromanyetik kuvvet ile güçlü ve zayıf nükleer kuvvetler daha ileriki sınıflarda ayrıntılı inceleneceğinden bu kuvvetlerin ayrıntısına girilmez.
Bir cismi çektiğimiz zaman uyguladığımız kuvvetin cisme etki eden tek kuvvet olduğundan emin olamayız.
Bazen cisme etki eden kuvvetlerin kaynağı hemen görülmez veya bunlar cismin hareketinin sonucu olarak çıkabilirler. Örneğin bir balonun yüzeyini iten rüzgar bir kuvvet uygulayabilir ve uçmasına engel olmak için balonu zıt yönde çekmemiz gerekir. Hava durgun olsa bile balonu hareket ettirdiğimizde hava balonun hareketine engel olmaya çalışan bir kuvvetin doğmasına yol açar. Balon hareket halinde iken ivmesi uyguladığımız kuvvet tarafından verilen ivme değildir; bileşke kuvvetin verdiği ivmedir. Bileşke kuvvet sıfır ise ivme sıfırdır ve balon sabit hızla hareket eder.
Balonun bulunduğu yerde düzenli olarak esen bir rüzgarın uyguladığı kuvveti balona bağlı ipteki elastik halkanın gerilmesini ölçerek bulabiliriz. Bu kuvvet rüzgarın hızı ile artar. Hepimizin bildiği gibi, rüzgar ne denli hızlı eserse o denli kuvvetlidir. Balonu hava içinde çekerek hareket ettirirsek ivmeyi veren bileşke kuvveti bulmak için uyguladığımız kuvvetten havanın oluşturduğu kuvveti çıkarmamız gerekir.
Bir cismi bir yüzey üzerinde hareket ettirmeye çalışırsak sürtünme kuvvetleri doğar. Balonu hava içinde çektiğimizde ortaya çıkan engelleyici kuvvetlerden farklı olarak, sürtünme kuvvetleri cismin hızına hemen hemen hiç bağlı değildir. Eski Yunanlıları sabit bir hareket için bir kuvvete gerek olduğu sonucuna götüren hiç kuşkusuz, sürtünme kuvvetlerinin her yerde bulunmasıydı. Sabit hareket için gerekli kuvvet sürtünme kuvvetine ve hava direncine eşit ve zıt yönlüdür; ancak bileşke kuvvet sıfırdır.
Kuvveti hareketin nedeni olarak alma düşüncesi çok değerlidir; çünkü verilen bir durumda nasıl bir hareket oluşacağını önceden kestirmemizi sağlar. Her ne zaman aynı durum doğarsa, aynı kuvvetler tekrar tekrar ortaya çıkar. Bazı kuvvetler hareketten bağımsızdır. Örneğin bir cismin ağırlığı olan yerçekimi kuvveti, cisim hareket etsin veya etmesin, gelecek bölümde göreceğimiz gibi, hep aynıdır. Çoğrafi konumumuzu bilyorsak üzerimize ne kadar bir yerçekimi kuvveti etkileyeceğini bilir ve düşen bir cismin hareketini önceden kestirebiliriz. Öteki kuvvetler cismin bir başka cisme göre hareketine bağlıdır. Karşılaştığımız temel sorunlardan bir tanesi doğadaki kuvvetleri öğrenmektir. Böylece gözlediğimiz kuvvetleri hareketi önceden kestirmekte ve mekanik araçların planlanmasında kullanabiliriz.
* Newton’un Genel Çekim bağıntısı verilerek çekim kuvvetinin kütleye ve uzaklığa bağlılığı irdelenecektir.
Gece gökyüzünde Büyük Ayı'yı tanımayan pekaz kişi vardır. Gökyüzünün en göze çarpan özelliği, Büyük Ayı gibi yıldız gruplarının değişmeyen bağıl durumlarını koruyuşudur. Bu yıldızlar sanki dönen büyük bir kürenin iç yüzüne asılmış gibi hareket ederler ve sanki biz onlara bu kürenin merkezindeymişiz gibi bakarız. Bu " değişmez yıldızlar " fonu üzerinde güneş ve ay, sanki dünya etrafında başka başka hızlarla dönen başka kürelere bağlıymış gibi, düzgün olarak hareket ederler. Bu görüşe göre büyük ve hareketsiz olan dünya, gök cisimleri maddesinden yapılmış ve dünya etrafında dönen bir evrenin merkezinde bulunur. Böyle bir evrene " jeosantrik " ( yer merkezli ) evren denir.
Değişmez yıldızlar arasında, hareket ediyor gibi görünen, yedi gök cismi eski insanlarca biliniyordu. Güneş ve ay, Merkür, Venüs, Mars, Jüpiter ve Satürn'e Yunancada " gezegen " anlamına gelen kelimeden planet adı verilmiştir. Güneş ve ayın hareketi bir yana bırakılırsa, bu cisimlerin uzun zaman süresinde hareketleri gözlendiğinde, bu hareketlerin düzgün olmadığı görülür. Onların bu düzensiz hareketi eski insanların dikkatini gezegenler üzerinde toplamıştı. Bunlar, öteki yıldızlardan daha parlaktır ve parlaklıkları değiştiğinden dünyadan olan uzaklıklarının da değiştiği sanılıyordu. Gezegenlerden her birinin insanların yaşantısı ve heyecanlarıyla ( Venüs aşk ile, Mars savaş ile, .. vb. ) ilgileri olduğu sanılıyordu ve sanki bunlar değişmez yıldızların bölünmez mükemmelliği ile dünyanın devamlı düzensizliği arasında bulunuyorlardı. Donraları, gökyüzü bilimi ile uğraşanlar gezegenlerin durumlarında insanların gelecek hayatları üzerinde bazı belirtiler görmeye başladılar.
Eski astronomların başlıca endişesi, gezegenlerin gözlenen acaip hareketlerine, akla yakın bir açıklama bulmaktı. Bir rivayete göre, Yunan filozofu Eflatun ( M.Ö. 427-347 ) öğrencilerine şu problemleri sormuştur: Yıldızlar dünya etrafında mükemmel dairesel yörüngeler üzerinde hareket ederler, fakat gezegenlerin düzgün olmayan yörüngeler çizdikleri sanılmaktadır. Gezegenlerin üzerinde hareket ettikleri bu yörüngeler, mükemmel dairesel yörüngelerin nasıl bir bileşimidir? Bu sorunun ifadesinde, tüm eğrilerin en mükemmelinin daire olduğu ve bu nedenle gök cisimlerinin hareketlerini tek başına açıklayabileceği inancı açıkça görülmektedir. Bir çok yüzyıllar astronomların gayretleri, hiç değilse kısmen bu soruya cevap vermeye harcamıştır.
İLK GEZEGEN SİSTEMLERİ
Eflatun'un öğrencilerinden Eudoxus, gezegenlerin hareketlerini her birinin merkezi dünya olan bir hareketli küreler kümesi ile açıklamaya çalıştı.
Polonyalı astronom Nicolaus Copernicus ( 1473 de doğmuştur ) Ptolemy sisteminin çok karışık olduğu kanısındaydı.
Copernicus, dünyanın günde bir devir yaparak döndüğünü düşündükten sonra, gezegenler sisteminin merkezini dünya alacak yerde güneş alarak gezegenlerin yörüngelerinin büyük ölçüde basitleştirilebileceğini bulmuştu. Böylece dünya ne evrenin merkezi oluyor, ne de duruyordu.
1546 da doğmuş olan Danimarkalı astronomi bilgini Tycho Brahe, basitliğine rağmen Copernicus sistemini kabul edememişti. Bunun yerine, güneşin dünya etrafında ve diğer gezegenlerin de güneş etrafında döndüğü gelişmiş bir jeosantrik sistem ileri sürdü.
1571 de doğmuş olan Johannes Kepler, Tycho Brahe'nin zıttı bir kimseydi. Tycho çok büyük mekanik yeteneğe ve hünere sahipti fakat matematiğe karşı ilgisi azdı. Kepler, bir deneyci olarak beceriksizdi ama matematiğin gücüne hayran olmuş bir kimseydi. Sayıların gücüne karşı duyduğu bu derin saygı ile eski Yunanlılara taklaşıyor, sayısal bilmeceler çok ilgisini çekiyordu.
Kepler astronomiye çok önemli ilerlemeler getirdi. O, Tycho Brahe'nin göz kamaştırıcı denel veri çizgilerini basit, anlaşılır bir eğriler ve kurallar sistemi haline getirdi. Kepler'in bu sistemi ona " Göklerin Kanun Yapıcısı " adını kazandırdı.
İşte, Kepler'in bulduğu üç kanunun ifadeleri:
I . Her gezegen, odaklarından birinde güneş bulunan eliptik bir yörünge üzerinde hareket eder.
II. Güneşi gezegene birleştiren doğru parçası, eşit zaman aralıklarında eşit alanlar tarar.
III. R2 / T2 oranı bütün gezegenler için aynıdır. Eğer bu sabit orana K dersek, üçüncü kanun
R2 / T2 = K şeklinde yazılabilir.
Kepler'in üç kanunu gezegenlerin yörüngelerini, hem Ptolemy'nin hem de Copernicus'un daireler üzerinde hareket eden daireler karmaşık sistemlerinden, daha doğru olarak verir.
