Kuvvetin Ölçülmesi ve Sürtünme

Kuvvetin Büyüklüğünün Ölçülmesi
Kuvvet Birimi
Sürtünme Kuvvetinin Pürüzlü ve Kaygan Yüzeylerdeki Etkileri
Sürtünme Kuvvetinin Günlük Hayattaki Kullanımları

Kuvvet, bir cisme uygulandığında hareket veya şekil değişikliği gibi etkilere neden olabilir. Aşağıdaki tabloyu inceleyerek, kuvvetin hareketli ve hareketsiz cisimlere etkilerini işaretleyiniz. Bu sayede kuvvet kavramını daha iyi hatırlamış olacaksınız.

Fiziksel temas, cisimlerin kuvvet etkisiyle hareket etmelerini sağlayabilir. Örneğin, futbol toplarının hareketini sağlayan kuvvet fiziksel temas sonucu ortaya çıkar. Mıknatısın toplu iğneleri çekmesi gibi durumlar da cisimler arasında fiziksel temas olmadan ortaya çıkan kuvvetlere örnektir.

Kuvvet aynı zamanda cisimlerin şekil değiştirmelerine de neden olabilir. Örneğin, oyun hamurunun şekli uygulanan kuvvetle değişebilir. Aynı şekilde bir paket lastiği çekerken lastiğin şekli değişir.

Bilardo topuna uygulanan kuvvet topun hareket etmesine veya yön değiştirmesine neden olabilir. Bu örneklerde gördüğümüz gibi, çevremizdeki pek çok etki kuvvetin varlığını ve etkisini gösterir.

Kuvvetin büyüklüğünü ölçmek için uluslararası birim sisteminde “Newton” (N) kullanılır. Kuvvetin ölçümü için “dinamometre” adı verilen bir araç kullanılır. Bu araç, kuvvetin etkisini ölçerek değerlendirir ve bu değeri Newton birimiyle ifade eder.

Dinamometreler
Dinamometreler, esnek yayların özelliğinden faydalanılarak tasarlanmıştır. Bu ölçüm araçlarının içerisinde esnek yaylar bulunur. Bir cisim dinamometreye asıldığında, yayın uzunluğu artar ve asılan cisme uygulanan kuvveti ölçme imkanı sağlar. Uygulanan kuvvet ne kadar büyükse, dinamometredeki yayın uzaması da o kadar fazla olur. Örneğin, yan taraftaki örneklerde sol taraftaki dinamometre 0,5 N’ı gösterirken, sağ taraftaki dinamometre yayı daha fazla uzatmış ve ölçülen kuvvet değeri en fazla 10 N olarak görülmektedir. Farklı ölçeklerde tasarlanan dinamometreler, çeşitli büyüklüklerdeki kuvvetleri ölçmek için kullanılabilir.

Laboratuvarlarda kullanılan dinamometreleri incelediğinizde, ölçüm aralığının sağ tarafta gösterildiği gibi en fazla kaç Newton’u ölçebileceği belirtilmiştir. Bunun nedeni, dinamometrelerin içerisindeki esnek yayların belli bir sınıra sahip olmasıdır. Bu esneklik sınırı, dinamometrenin ölçebileceği kuvvet büyüklüğünü belirler.

Top oynarken, yerde duran topa itme kuvveti uygulandığında, top bir süre boyunca hareket eder, ancak zamanla yavaşlayarak durur.
Çocuklar kızakla kayarken, kızakları bir süre hareket ettikten sonra yavaşlayarak dururlar.
Bu hareketi neden durduran etkenleri hiç düşündünüz mü?

Bazı araçların hareketli parçalarının neden yağlanması gerektiği konusunu ele aldınız mı?

Deneyde, bir cismin kaygan bir yüzeyde daha kolay hareket ettiğini, pürüzlü bir yüzeyde ise daha zor hareket ettiğini gözlemlediniz.

İki yüzey arasındaki hareketi zorlaştıran etkenin bir kuvvet olduğunu düşünüyor musunuz? Bu kuvvet, sürtünme kuvveti olarak adlandırılır. Bir cismin hareketini engelleyen veya yavaşlatan bu kuvvet, sürtünme kuvveti olarak adlandırılır.
Bir bisikletin fren pabucu, frenlendiğinde bisikletin yavaşlamasını sağlayan neden tekerlekler ile zemin arasındaki sürtünme kuvvetidir.
Bu sürtünme kuvveti, tekerlekler ile yüzey arasında olduğu gibi tekerlekler ile fren pabuçları arasında da etkili olur.
Bir kızağı ileri doğru çektiğinizde, hareket yönüne karşı bir kuvvetin etki ettiğini gözlemlediniz. Bu kuvvet, sürtünme kuvvetidir.

Yağlanmamış bir yüzeyde cisim hareket etmekte güçlük çeker.

Az miktarda yağ, sürtünmeyi azaltır ve cismin hareket etmesine yardımcı olur.
Yağlanmış yüzeyler kaygan hale gelir. Bu tür yüzeylerdeki sürtünme kuvveti minimum seviyededir.

Zımpara kağıdının yüzeyi pürüzlüdür.
Pürüzlü yüzeylerdeki sürtünme kuvveti, düz yüzeylere kıyasla daha yüksektir. Cisim ile yüzey arasına sürülen yağ, sürtünme kuvvetini azaltır.

Dizinize kadar suya girdiğinizde hareketinizin zorlandığını fark ettiniz mi? Su ortamında hareketi zorlaştıran bir kuvvetin varlığı gözlemlediniz mi?
Su ortamında hareketi engelleyen bir kuvvetin varlığını gözlemleyebilirsiniz.
Aynı yükseklikten serbest bırakılan iki özdeş silgiden biri su dolu bir şişeye, diğeri ise boş bir şişeye bırakılıyor.
Hangi silgi şişenin dibine daha önce ulaşır? Suya atılan silginin, şişenin dibine daha geç ulaşmasının nedeni su direncidir. Suda hareket eden bir cismin hareketini kısıtlayan kuvvet, su direnci olarak adlandırılır. Su direnci, suyun cisme uyguladığı bir çeşit sürtünme kuvvetidir.

Hava ortamında da su ortamında olduğu gibi cismin hareketini engelleyen bir kuvvet mevcuttur. Bu kuvvet, hava direnci olarak isimlendirilir. Hava direnci de sürtünme kuvvetinin bir türüdür.
Su, havadan daha yoğundur, bu nedenle havaya göre daha fazla direnç gösterir. Örneğin, gemi gibi araçlar su içinde hareket ederken veya su üstünde sörf yaparken su direnci ile karşılaşırlar.

Hava direnci nedeniyle meydana gelen sürtünmeyi azaltmak amacıyla özel tasarımlar geliştirilmiştir; arabalar, roketler ve uçaklar bu tasarımları kullanır. Benzer şekilde, su direnci nedeniyle meydana gelen sürtünmeyi azaltmak için çeşitli gemi tasarımları geliştirilmiştir.
Gördüğünüz hovercraft (havırkraft) fotoğrafı, hem karada hem de suda hareket edebilen bir taşıttır. Suyun üstünde hava yastığı üzerinde kayarak ilerler, bu da dokunan yüzeyi havadan ayırarak sürtünmeyi azaltır.

Columbia (Kolumbiya) Uzay Mekiği’nin alt kısmı silisyum plakalarıyla kaplıdır. Isıyı dağıtabilen bu kaplama, kumdan yapılmıştır.
Uzay mekiği, atmosferden çıkarken ve atmosfere dönüş yaparken, atmosferde bulunan taneciklerle büyük sürtünme kuvvetleri ile etkileşir. Bu sürtünmenin sonucunda uzay mekiğinin yüzeyi aşırı derecede ısınır. Bu ısı, önceden alınan önlemler sayesinde uzay mekiğini eritemeyecek seviyede tutulur.

Bazı durumlarda sürtünmeyi azaltmak için önlemler alınırken, bazı durumlarda ise artırmak gerekebilir. Yukarıdaki görselleri inceleyerek patencinin buz üstünde kayabilmesinin nedenini düşünebilirsiniz. Araçların tekerleklerinin buzda kaymaması için hangi önlemler alındığını gözlemleyebilirsiniz. Paraşütçülerin yere güvenle inmesini sağlayan etkileri anlayabilirsiniz. Peki, eğer sürtünme olmasaydı hayatımız nasıl bir şekil alırdı?

Araba tekerlekleri ve fren sistemleri arasındaki sürtünmenin, araçların hareket kontrolü ve durabilmesi için ne kadar önemli olduğunu fark etmelisiniz. Sürtünme olmasaydı, arabalar ve diğer cisimler kontrolsüz bir şekilde hareket ederdi ve durmakta güçlük çekerdi.

Yarış arabaları ve motorsikletlerdeki lastiklerin geniş ve dişsiz olmasının amacını kavramış olmalısınız: Sürtünmeyi en aza indirerek daha yüksek hızlara ulaşmak. Bu tasarım, hızı artırmak ve yarış performansını iyileştirmek için kullanılır.

Japonya’da geliştirilen maglev (Manyetik Levitasyon) trenlerinin tekerlek yerine güçlü manyetik alanlarla yükseltilmesinin nedenini gözlemlemiş olmalısınız. Bu tasarım, sürtünmeyi minimize ederek trenlerin daha yüksek hızlara çıkmasını sağlamaktadır.

Bir dağcının kayalara tırmanabilmesi için sürtünmeyi artıran malzemeler kullanmasının önemini anlamış olmalısınız. Bu malzemeler sayesinde dağcılar daha iyi bir tutuş elde edebilir ve tırmanışlarını kolaylaştırabilirler.

Şimdi günlük yaşamımızda sürtünmeyi artırmaya veya azaltmaya yönelik yeni fikirler üretebilirsiniz. Bu fikirleri sınıftaki arkadaşlarınızla tartışarak farklı bakış açıları kazanabilirsiniz.