Mekaniğin, kuvvet etkisi altında hareket eden cisimlerin hareket özelliklerini inceleyen bölümüne dinamik denir. Bu bölümde kuvvet etkisinde gerçekleşen hareketler, Newton’ın Hareket Yasaları kullanılarak açıklanacaktır. Bölüm boyunca ağırlık kuvveti G, ipte oluşan gerilme kuvveti T, tepki kuvveti N ve sürtünme kuvveti Fs sembolleri ile gösterilecektir. Bir cisme aynı anda birden çok kuvvet etki edebilir. Bu kuvvetlerin etkisinde cismin hareket edip etmeyeceği ve hareket ederse sahip olacağı ivme ile ilgili bilgilere ulaşmak için Newton’ın Hareket Yasaları kullanılır. Newton’ın birinci hareket yasasına göre bir cisme etkiyen net kuvvet sıfır ise cisim durgunsa durgun kalır, hareketli ise sabit hızla hareketine devam eder. Cismin hızı değişmediği için ivmesi sıfırdır. Newton’ın ikinci hareket yasasına göre bir cisme etkiyen net kuvvet sıfırdan farklı ise cisim net kuvvet yönünde ivme kazanır. Cismin kazanacağı ivme, cisme uygulanan kuvvetle doğru orantılı; cismin kütlesi ile ters orantılıdır. Newton’ın üçüncü hareket yasasına göre bir yüzeye dik olarak etkiyen net kuvvete karşılık eşit büyüklükte ve zıt yönde tepki kuvveti oluşur.
CİSİMLERE ETKİYEN NET KUVVET
Cisimler, birden çok kuvvetin etkisi altında hareket edebilir. Birden fazla kuvvetin yaptığı etkiyi tek başına yapan kuvvete net kuvvet denir. Net kuvvet, kuvvetlerin bileşkesi alınarak bulunur ve Fnet sembolü ile gösterilir.
Bir cisme etkiyen kütle çekim kuvvetine ağırlık adı verilir ve ağırlığın yönü yerin merkezine doğrudur. Bir cismin ağırlığının yatay, düşey ve eğik düzlemdeki gösterimi Şekil 1.26’daki gibidir. Cisimler, yer çekimi olan ortamlarda her zaman ağırlıklarının etkisindedir.
Yatay düzlemde duran m kütleli bir cisim, ağırlığından dolayı bulunduğu yüzeye bir kuvvet uygular. Yüzeyin cisme uyguladığı tepki kuvveti ise cismin ağırlığına eşit büyüklükte ve zıt yöndedir (Şekil 1.27.a). Yatay düzlemde birbirine temas eden m1 ve m2 kütleli cisimlerden m1’e kuvvet uygulandığında m1 kütleli cisim, m2 kütleli cismi iterek etki kuvveti uygular. m2 kütleli cisim de m1 kütleli cisme kendisine uygulanan kuvvete eşit büyüklükte ve zıt yönde bir tepki kuvveti uygular (Şekil 1.27.b). Düşey düzlemde F kuvveti ile dengelenen m kütleli cisme düzlem tarafından uygulanan tepki kuvveti, cismin ağırlığından bağımsız olup F kuvvetine eşit büyüklükte ve zıt yöndedir (Şekil 1.27.c). Eğik düzlem üzerindeki m kütleli cisim, ağırlığından dolayı bulunduğu yüzeye bir etki kuvveti uygular. Yüzeyin cisme uyguladığı tepki kuvveti ise cismin ağırlığının eğik düzleme dik bileşenine eşit ve zıt yöndedir (Şekil 1.27.ç).
Esnemeyen iplerle bağlı cisimlere kuvvet uygulandığında iplerde gerilme kuvvetleri meydana gelir. Gerilme kuvvetleri cisimlere sadece çekme kuvveti olarak etki eder (Şekil 1.28).
Sürtünme kuvveti
Sürtünme kuvveti, birbirine temas eden yüzeyler arasında, yüzeylere paralel doğrultuda oluşan ve hareketi zorlaştıran bir kuvvettir ve iki yüzeye de etki eder. Cisim hareket hâlinde iken yüzeyde oluşan sürtünme kuvveti cismin hareket yönüne ters yöndedir.
Yatay sürtünmesiz düzlemde üst üste duran A ve B cisimlerinden A cismine yatay doğrultuda F kuvveti uygulanmaktadır. Yatay sistem sürtünmesiz olduğu için A cismi hareket eder ve bir süre sonra B cismi yere düşer (Şekil 1.30.a). Bu esnada B cismi hareket etmez. B cismi yatay F kuvveti ile itildiğinde ise A cisminin üzerinden kayarak yere düşer ve A cismi hareket etmez (Şekil 1.30.b). Eğer cisimlerin arası sürtünmeli ise sürtünme kuvveti, kuvvet uygulanmayan cismi hareket ettirir. Cisimler, uygulanan kuvvetin büyüklüğüne göre birlikte ya da ayrı ayrı hareket edebilir.
Şekil 1.31’de sürtünme katsayısı k1 olan sürtünmeli yatay zeminde aralarında sürtünme katsayısı k2 olan m1 ve m2 kütleli cisimler, m1 kütlesine uygulanan yatay F kuvveti ile çekilmektedir. Cisimler birlikte hareket ederken m1 kütleli cisim ile zemin arasında ve cisimlerin kendi arasında sürtünme kuvveti oluşur. Cisimler arasında oluşan sürtünme kuvveti her iki cisme de etki eder. Cisimler arasında oluşan bu sürtünme kuvvetleri bir etki-tepki kuvvet çiftidir. Kuvvetlerin uygulama noktaları farklı, büyüklükleri eşit ve zıt yönlüdür. Cisimler arasındaki m1 kütleli cisme etki eden sürtünme kuvveti FS1 ile m2 kütleli cisme etki eden sürtünme kuvveti FS2 eşit büyüklükte ve zıt yönlüdür. F kuvveti m1 kütleli cisme uygulandığı için m2 kütleli cismi harekete geçiren kuvvet, F ile aynı yönlü olan FS2 kuvvetidir. FS1 ise m1 kütleli cismin hareketini zorlaştıracak şekilde F kuvveti ile zıt yönlüdür.
Eğik düzlem üzerinde hareket eden cisme etki eden sürtünme kuvvetinin büyüklüğü bulunurken cismin ağırlık vektörü, eğik düzleme paralel ve dik olarak bileşenlerine ayrılır. Eğik düzleme dik olan bileşeni, yüzeyin tepki kuvvetine eşittir. Yüzeye paralel bileşeni cismi eğik düzlem üzerinde harekete zorlayan kuvvettir. Bu durumda, cisimler eğik düzlem üzerinde yukarıdan aşağıya doğru hareket ettiği için eğik düzleme paralel sürtünme kuvveti yukarı yönde oluşur (Şekil 1.32.a). Cisim eğik düzlem üzerinde yüzeye paralel ve yukarı yönde hareket ederse sürtünme kuvveti yüzeye paralel ve aşağı yönde oluşur (Şekil 1.32.b)
Serbest Cisim Diyagramı
Newton’ın ikinci haraket yasasına göre cisimler, net kuvvet etkisinde ivme kazanır. Cisimlerin kazanacağı ivme bulunurken cisimlere etki eden tüm kuvvetlerin bileşkesi alınarak net kuvvet bulunur. Bir cisme etki eden tüm kuvvetlerin uygulama noktaları, yönleri ve büyüklüklerinin gösterilmesine serbest cisim diyagramı adı verilir (Tablo 1.2). Birden fazla kütle kullanılarak oluşturulan sistemlerde bütün kütleler için ayrı ayrı serbest cisim diyagramı çizilerek Newton’ın ikinci hareket yasası uygulanabilir.
