Bisiklet Durduğunda Neden Dengemizi Sağlayamayız? Hepinizin de bildiği gibi bisiklet hareket halinde iken binicinin dengesini sağlaması kolaydır ama durduktan sonra nerede ise imkansız! (Nerede ise diyorum çünkü aslında teoride durgun bir bisikletin üstünde bile dengenizi sağlayabilirsiniz) Cambazların sirklerde yaptıkları gibi mesela... Bu olay tamamen dönme dinamiği (rotational dynamics) ile ilgilidir. Bu noktada siz beni çok seven okurlarımı uyarmadan geçemeyeceğim: Bu cevap biraz fazla fizik bilgisi gerektirdiğinden monitörünüze istediğiniz kadar boş boş bakmakta serbestsiniz!!... Bisiklet ve sizin beraber oluşturduğunuz sistem denge konumundan uzaklaştığında sistemin (siz+bisiklet!) ağırlık merkezi bisiklet tekerleklerinin yere değme noktasına göre bir moment oluşturur. Dönen bir cismin herhangi bir noktaya göre momenti varsa açısal momentumu da olmak ve devamlı değişmek zorundadır!!! (Bu aslında bir diferansiyel denklemle ifade edilir ama konuyu o kadar da derinleştirmeye gerek yok) Açısal momentum bir vektördür. Her normal vektör gibi bir yöne (direction) ve büyüklüğe (magnitude) sahiptir. Açısal momentumun değişimi için herhangi birisinin değişmesi yeterlidir. Böylece bisiklet hareket halinde iken denge konumuna doğru yerçekiminin etkisine tam ters olarak hareket eder. Bu da sizin üstünde dengede durmanızı kolaylaştırır... İşte bu anlatılanlardan dolayı bisikletle giderken dengenizi kolaylıkla sağlayabilir fakat durduğunda ise düşersiniz...
Uzay Gemileri Uzayda Nasıl Hareket Eder ? Uzayda hava yoktur. Bu yüzden uzay araçları normal taşıtlar gibi sürtünmeyi kullanarak hareket etme imkanına sahip değildirler. Bunun yerine momentumun korunumunu kullanırlar!... Peki nedir momentum ve korunumu?! Momentum bir cismin hızı ile kütlesinin çarpımıdır. Bu sayının önemi ise ne olursa olsun (dışarıdan bir kuvvet etki etmedikçe!) sabit kalmak zorunda olmasıdır!... Böyle olunca da mesela bir sistemin kütlesi değiştiğinde hızı da değişmek zorunda kalır momentumu korumak için. Bir örnekle meseleyi daha da küçük lokmalara bölelim ki yutulması kolay olsun: Buz patenini hepiniz seyretmişsinizdir. Çiftlerde erkek, eşini ittiğinde kız kendin uzaklaşırken kendi de geriye doğru hareket eder. İşte vakt-ü zamanında bilim adamları düşünmüşler taşınmışlar ve uzay araçlarını bu şekilde tasarlamışlar. Yakıt tankında yakılan sıvı yakıt yüksek hızla ve devamlı olarak dışarı püskürtülür! Bu da uzay aracına ileriye doğru bir hız kazandırır. Ayrıca uzay araçları belli bir hıza ulaştıktan sonra o hızla hızlarına devam etmek için devamlı yakıt kullanmalarına da gerek yoktur. Çünkü uzayda hava, dolayısı ile sürtünme olmadığından hızınızı bir gezegenin çekim alanına girene kadar problemsizce koruyabilirsiniz. Bu yüzden uzay uçuşlarında azami yakıt tasarrufu için gezegenlerin çekim kuvvetleri kullanılır. Mesela şu anda hala plan safhasında olan Mars’a insanlı yolculuk için Jüpiter’in çekim kuvveti kullanılması hesaplanıyor!!..
Helikopterlerin Kuyruk Pervaneleri Ne İşe Yarar? Helikopterler kuyruklarında ana pervaneden çok küçük ve ona dik ikinci bir pervane daha taşırlar. Hiç düşündünüz mü hikmeti nedir? Bu pervane aslında sanılanın aksine helikoptere manevra kabiliyeti falan kazandırmak için değildir.
Yerleştirilmesinin tek amacı helikopterin kendi etrafında dönmesini engellemektir!!.. Peki helikopter niye kendi etrafında döner?! Ana pervanenin dönüşünden dolayı helikopter tam aksi istikamette bir tepki kuvvetine maruz kalır. Newton’un ünlü 3. etki-tepki prensibi yani. İşte kuyruktaki pervanede tam tersi istikamette bir kuvvet oluşturarak helikopterin havada sabit kalabilmesini sağlar... Peki yanda gördüğünüz şu çift pervaneli helikopterlerde bu kuyruk pervanesi yoktur? Şekildeki oklardan da anlaşılacağı gibi bu iki pervane birbirlerini nötrleyici şekilde ters istikametlerde dönerler de ondan!!... Böylece birinin bir tarafa döndürme tepkisini otomatik olarak diğeri dengelemiş olur. Şimdi de aklınıza peki o zaman helikopterler nasıl manevra yapıyor diye bir soru gelebilir.. Bunu da hemen cevaplayalım. Yandaki şekil helikopterin yukarı ya da aşağı ilerlemesini gösteriyor. Ana pervanenin hızı değiştirilerek diagonal hareketler sağlanır. Yani pervane daha hızlı döndüğünde daha fazla kaldırma kuvveti uygulayıp havalanır, yavaşladığında ise kaldırma kuvveti azalır ve alçalmaya başlar. Yine ana pervanenin öne, arkaya, sağa, veya sola eğilmesi ile de o yönde hareket edebilir helikopter. Diğer bir deyişle kuyruk pervanesinin helikopterin hareketi ile hiç bir alakası yoktur. O sadece helikopterin kendi etrafında dönmesini engellemek içindir..
Dünyamız Neden Kendi Etrafında Döner? Aslında sadece dünyamız dönmez kendi etrafında. Ay da dahil olmak üzere tüm gezegenler ve yıldızlar kendi etraflarında dönerler. Daha doğrusu dönmek zorundadırlar. Bu dönmenin nedenini verebilmek için yıldızların ve gezegenlerin oluşumlarından bahsetmemiz gerekiyor : Yıldızlar veya gezegenler Bing Bang’dan sonra oluşan çok sıcak plazma bulutları idi başlangıçta... Bu gazlar soğurken açığa çıkardıkları enerjiyi en iyi etraflarında dönerek harcayabilirlerdi. İşte bu yüzden soğurken hem katı ve yuvarlak bir şekil aldılar hem de dönmeye başladılar... İşte bir cisim dönmeye başladıktan sonra (aslında herhangi bir harekete başladıktan sonra) sürtünme yoksa dışarıdan bir etki olmadıkça dönmesine devam etmek zorundadır. Buna açısal momentumun korunumu denir. Tabii başlangıçta gezegenleri oluşturan gaz bulutsusunun hızı çok yavaştı ama soğudukça ve küçüldükçe (biliyorsunuz ki gazlar dondurulduklarında hacimleri müthiş oranda küçülür.) daha da hızlı dönmeye başladılar Mevleviler gibi... Mevleviler dedim de, onlar da aslında açısal momentumun korunumun kullanırlar dönerken.. Başlangıçta elleri açıktır; daha sonra ellerini kapattıklarında hızları daha fazla artar bu konundan dolayı. Aynı şey buz patencileri için de geçerlidir. İşte bu gezegenlerin ve yıldızların oluşumlarındaki spin hareketlerinden dolayı hala dönmeye devam etmekteler... Kainatın sonuna kadar da dönmeye devam edeceklerdir.. Hatta yıldızlar en son halleri kara delik olduktan sonra da dönmeye devam ederler ki kara deliklerin dönme hızları normal bir yıldızın milyonlar katı daha fazla olacaktır... Yine yukarıda belirttiğimiz buz patencinin ellerini kapatma meselesindeki gibi kara deliklerin müthiş madde yoğunluğundan dolayı dönüş hızları inanılmaz derecede artar.
Hız Patencileri Dönemeçlerde Neden İçeri Doğru Eğilirler?
Motosiklet yarışlarında en çok hoşuma giden nokta yarışçıların viraj almalarıdır. Yani sürücü nerdeyse yere yapıştırır dizlerini... Bu hareket artistik göründüğü kadar zordur da aslında... Milimetrik bir hata sürücünün takla atmasına sebep olabilir. Aynı şekilde hız patencileri de viraj alırken vücutlarını yana doğru yatırırlar. Peki bu hareket motosiklet yarışçılarına ve hız patencilerine ne gibi yarar sağlar? Bu mesele fizikteki dairesel hareketle açıklanıyor. Bu yüzden soruya cevap vermeden bu konu hakkında bir kaç laf anlatmak lazım... Dairesel hareket herhangi bir hareketlinin düz bir çizgi değil de bir daire üstündeki hareketidir. İşte bir arabanın bir virajı alması, bir pervanenin dönüşü, dünyanın güneş etrafındaki hareketi vs.. vs.. Düz bir çizgide hareket eden cisme hareketinden dolayı bir ivme ve dolayısı ile bir kuvvet etki etmez; fakat dairesel harekette cisme dairenin merkezine doğru bir kuvvet dolayısı ile bir ivme etki eder. Bu kuvveti hepiniz bir arabayla viraj alırken hissetmişsinizdir... Bu kuvvet hareketlinin hızının karesiyle doğru orantılıdır. Yani dönen cisim ne kadar hızlanırsa onun karesiyle orantılı bir merkezcil kuvvet etki eder cisme... Şimdii meseleyi daha iyi açıklamak için viraja girmiş bir motosikletlinin üstündeki kuvvetleri gösterelim : Şekilde Fc diye gösterilen kuvvet merkezkaç kuvveti. Daha doğrusu merkezcil kuvvetin sürücüye olan tepkisi... W ise ağırlığı. P noktası da tekerleğin yerle temas noktası. İşte bu Fc, P değme noktasına dik olduğundan bir moment oluşturur (moment: kuvvetin döndürme etkisi. Bir kapı kolunu çevirmek gibi mesela...). Eğer sürücü bu kuvvete ters istikamette yatmazsa bu kuvvet alır onu pistin dışına atar. Ters yöne eğildiğinde ise dik dururken hiç bir etkisi olmayan ağırlığı merkezkaç kuvvetinkine ters istikamette başka bir moment oluşturur ve sürücünün veya patencinin hızlı ama dengeli bir dönüş yapabilmesine olanak verir. Hız arttığı oranda yere daha fazla eğilip ağırlığının moment etkisini artırması gerekmektedir. O yüzden ne kadar hızlı girdiyse viraja o kadar çok eğilmek zorunda kalır sürücü savrulmamak için...
Buzda Kaymak İçin Neden Paten Giyilir? Bilindiği gibi patenlerin altında ince çelik bir kızak vardır (ki pateni paten yapan da bu çelik kızaktır zaten!). Buz pateni yapmak için paten kullanmanın nedeni sanılanın aksine sürtünmeyi azaltmak için alanı küçültmek değildir! Sürtünme kuvveti yüzey alanına bağlı değildir. Buz patenlerinin altındaki ince kızaklar yerleştirilmesinin nedeni “rejelasyon” denilen olaydır. Rejelasyon buzun bir basınç altında erimesi ve basıncı kaldırdıktan sonra tekrar donması olayıdır. Mesela iki buz küpünü elinizle çok sıkı bir şekilde bir an sıksanız ikisi birbirine yapışır. Bunun nedeni basınç altında buz küplerinin birbirlerine değen yüzeylerinin arasında bir su tabakasının oluşması ve bıraktığınızda bu tabakanın tekrar donmasıdır. Şimdi tekrar 1800’lik bir dönüşle patenimize dönelim. Patenin altındaki demir kızaklar patenin buza değme alanını küçültüp, basıncı maksimum artırmak içindir. Bir buz parçasının üstünden geçen patendeki kızaklar, sahiplerinin ağırlığının oluşturduğu basınçtan dolayı altlarındaki buzu eritirler. Böylece kızak ince bir su tabakası üstünde kayar. Bu ince su tabakası da sürtünmeyi çok fazla azaltır, aynı bir pistonun içindeki yağ gibi!... Tabii kızak geçtikten sonra o noktadaki su basıncın kalkmasından dolayı su tekrar donar.
Sıcak Bir Günde Sudan Çıktığımızda Neden Üşürüz? Sıcak bir günde sudan (yani bir havuzdan veya denizden hatta duştan!) çıktığımızda üşür hemen bir havluya sarılırız veya yeniden suya gireriz. Peki hava sıcak olduğu halde (mesela 300-350) üşümememiz gerekmez mi? Hayır gerekmez!... Sudan çıktıktan sonra üşümemizin nedeni vücudumuzdaki su damlacıklarının
Çiğ Nasıl Oluşur? Çiğ özellikle bahar ve yaz aylarının serin sabahlarında görülen bir doğa olayıdır. Böyle sabahlarda özellikle otların ve çiçeklerin yapraklarında oluşan yağmur damlalarına çiğ denir bildiğiniz gibi. Pekala bu çiğ denilen su damlaları nereden gelmiştir efendim?! Gündüzleri ısınan cisimler geceleri normal olarak bu ısıyı kaybeder ve soğurlar. Yeryüzündeki cisimler gece soğuduklarında kendi etraflarındaki havanın ısısını da düşürürler. Soğuk hava, sıcak havanın tutabildiği kadar su buharı tutamaz. Belli bir sıcaklık seviyesinden sonra havanın tutamadığı bu fazla su buharı kendilerine en yakın cisimler üzerinde yoğunlaşır ve su damlaları şeklini alırlar. Çiğ oluşması için bir kaç koşul gereklidir. Bunlardan birincisi havanın nem oranının belli bir orandan fazla olması, diğeri ise “çiğ noktası” denilen ısıya kadar soğumasıdır. Bunun yanında çiğ görülmeden önceki günün sıcak ve gecenin açık geçmiş olması da önemlidir. Rüzgarlı bir gecede hava, hareketli olacağından soğuk cisimlerle daha az temas eder ve “ciğ noktası”na kadar soğuması normalden daha fazla vakit alır. Bulutlu gecelerde ise cisimler daha yavaş soğuyacağından (bulutlar yeryüzünün yorganlarıdır yani yeryüzünden gelen ısı enerjisinin bir kısmını geri yansıtıp soğumasını engellerler.) çiğ bulutlu gecelerden sonra da görülmez. Soğuk günlerde de gündüzden yeryüzü yeteri kadar ısınamaz böylece gece soğurken de havayı “çiğ noktası”na kadar soğutamaz. Eğer hava daha da soğursa çiğ taneleri donar ve bu sefer de kırağı veya don denilen olay görülür.
Su Akarken Neden İncelir? Eğer çeşmenizi suyu biraz yavaş akıtacak şekilde açarsanız, görürsünüz ki su çeşmenin ağzından çıktığı kalınlığını koruyamaz ve alçaldıkça iyice incelir. Bunun nedeni su damlalarının yer çekimi dolayısı ile gittikçe hızlanması ve bir de Bernoli Prensibi’dir. Bernoli Amca vakti zamanında şöyle demiş: “Bir akışkanın aktığı yöne dik kesit alanı ile hızının çarpımı sabit kalır.” Su çeşmenin ağzını terkettikten sonra güzelim yer çekimi devreye girer ve su damlacıklarını gittikçe hızlandırır. Hızlanan su damlacıkları da Bernoli Amcalarının prensiplerine uymaları için kesit alanlarını küçültmeleri yani daralmaları gerekir. İşte bu yüzden su çeşmeden çıktığı kalınlığı koruyamaz. Peki bu mesele neden su gürül gürül akarken olmaz?! Çünkü su gürül gürül akarken bir anlamda akışkanlık özelliğini kaybeder. Su damlaları gürül gürül akma sırasında belli bir hızla fırlatılırlar çeşmenin ağzından. Bu da suyun akışkanlık özelliğini kaybetmesine ve Bernoli Amcasının prensibine uymamasına sebep olur. Yine bu sebeptendir ki trafikte dar yollarda yavaşlamak yerine hızlanmak trafik akışını daha akıcı kılar! Geçenlerde hızlı gittiğim için bana ceza yazan polise bunu anlatmaya çalıştım ama nafile!.. Fizik bilmeyen trafik polisleriyle uğraşmak ne kadar da zor bir şey canım!!...
Uçan Balon Nereye Kadar Uçar? Uçan balonla çocukluğunda oynamamış olanımız yoktur herhalde... Oynarken de muhakkak hepimiz kaçırmışızdır elimizden değil mi? İşte bu kaçan uçan balonlar nereye gider; uzaya mı çıkarlar? Yoksa tekrar yeryüzüne mi düşerler? Yine yoksa aylak aylak dolaşmaya devam mı ederler gökyüzünde bir kuş onları patlatana dek? Ne dersiniz? Cevaba geçmeden önce akışkanların kaldırma kuvvetinden bahsetmek gerekiyor biraz. Tüm akışkanlar (gazlar veya sıvılar) içlerinde bulunan maddeye bir kaldırma kuvveti uygularlar. Bu kuvvet cismin akışkan içindeki hacmine ve akışkanın yoğunluğuna bağlıdır. Akışkan ne kadar yoğunsa uygulanan kaldırma kuvveti de o kadar fazladır. Bu yüzden suyun kaldırma kuvvetini suya girdiğimizde hissederiz ama havanın bize har zaman uyguladığı kaldırma kuvvetini (ki yoğunluğu suyun onbinde biri kadardır) çok az olduğundan dolayı hissedemeyiz. Ama bir balonun için havadan daha hafif (mesela helyum) bir gazla doldurursak balonun genel yoğunluğu havadan da az olacağı için havanın kaldırma kuvveti balonun ağırlığını yener ve balon hava içinde yükselir. İşte bu balon nereye kadar yükselecektir? Meselemiz bu. Balon yükseldikçe dışarıdaki hava basıncı azalacaktır. Çünkü yeryüzünden uzaklaştıkça havanın yoğunluğu böylece de basıncı azalır. Hatta o kadar azalır ki dağcılar zirvelere tırmanırken hava dolayısı ile oksijen yetersizliğinden dolayı yanlarında oksijen tüpü taşımak zorunda kalırlar. Bizim uçan balonumuz da dışındaki basıncın içerisindeki basınçtan az olduğunu görünce şişmeye ve böylece hacmini artırıp yoğunluğunu azaltmaya başlayacaktır. Yukarılara çıkıldıkça balonun dışındaki basınç azaldıkça azalır, balon da şiştikçe şişer ve en sonunda balon patlar.... Siz normal bir çocuk balonunu şişirdiğinizde de aynı şey oluyordu aslında... Balonun içine hava üflediğinizde içerideki hava dıştaki atmosfer basıncından büyük olacaktır, bu yüzden de siz üfledikçe şişecektir balon. Siz üflemeye devam ederseniz bu sefer balonun elastikiyet sınırına ulaşırsınız ve sonunda balon patlar. İşte uçan balon havalanırken de buradaki meselenin aynı oluyor. Tek fark uçan balonda iç basınç sabit dış basınç düşüyor!... Tabii ki de sonuç aynı olacaktır..
Gökyüzü Neden Mavidir? Gökyüzünün mavi görünmesinin (dikkat! olmasının değil görünmesinin! çünkü normalde atmosferimiz daha doğrusu hava renksiz bir gazdır!) tek sebebi daha önce gökkuşağını açıklarken belirttiğimiz kırılma hadisesidir. Güneş ışınları atmosfere girdiğinde atmosferdeki gaz moleküllerine ve toz parçacıklarına çarparak saçılır. Gün ışığı daha önce de on yüz bin milyon defa duyduğunuz gibi değişik dalga boylu birçok ışından oluşur. En kısa dalga boylu mavi ışınlar atmosferin üst tabakalarındaki küçük parçacılar tarafından hemen saçılırlar. Fakat kırmız ışık (ki en büyük dalga boylu ışıktır!) saçılmak için daha büyük parçacıklara çarpmak zorundadır. Gökyüzü açık olduğunda, mavi ışık diğer ışıklara oranla en fazla saçılan ışıktır. Bu yüzden de gökyüzü mavi görünür. Mesela gökyüzü yoğun bulutlarla veya dumanla dolu olduğunda, tüm ışınlar nerede ise aynı oranda saçılır. Bu da gökyüzünün gri renkte görünmesine sebep olur. Gün batımında veya doğumunda ise güneş ışınları atmosfere eğik girdikleri için daha fazla yol katetmek zorunda kalırlar. Bu yüzden daha çok ışın ve renk saçılır ve o posterlere konu olan, şahane gün doğumu ve batımını gözlemleyebiliriz. Çok az saçılmış olan kırmızı ışık ise güneşe ve ufuğa kızıl veya portakal görüntü verir.
Yükseklere Çıkıldıkça Hava Neden Soğur? Hava gerçekten de yükseklere çıkıldıkça soğur; bunun nedeni yükseklere çıkıldıkça atmosferin incelmesi yani hava yoğunluğunun azalmasıdır. Şimdi meselenin biraz fiziğine girelim bakalım : Isının iletim üç değişik yolla olur: # Konveksiyon (Sobanın odayı ısıtması gibi: Yani soba havayı ısıtır, hava da odayı); # Radyasyon (Güneşin ısısının uzayda ışınlarla yayılması gibi); # İletim (Direk ısı yayan cisme temas ederek. Mesela çok üşüyen birinin gidip kalorifer peteklerinin üstüne elini koyması) Dünyamız ısınırken bu üç yöntemden ikisi; konveksiyon ve radyasyon yöntemleri ile ısınır. Fakat hem dünya güneşten çok uzakta olduğu (böylece üzerine az ışın düştüğü) hem de gelen ışınların bir çoğunun atmosferdeki hava moleküllerine çarpıp enerjilerini aktardıkları için dünyanın ısınmasında konveksiyon daha fazla etkilidir. Yani diğer bir deyişle güneş atmosferi ısıtır, atmosfer de dünyamızı... Atmosferimizin yoğunluğu yükseklere çıkıldıkça azalır. En yoğun hava deniz seviyesindeki havadır. (Bu yüzden dağcılar yüksek tırmanışlarda hem soğuktan koruyucu giysiler hem de oksijen tüpleri taşırlar yanlarında. Hatta çok yükseklerde hava o kadar seyrelir ki oksijen azlığından dolayı ateş dahi yakamazsınız. Bu kadar yükseklerde kamp yapacak dağcılar yanlarındaki yemekleri kimyevi ısıtıcılarla ısıtırlar.) Bir yerdeki hava yoğunluğu ne kadar az ise bu hava moleküllerinin güneşten alıp ta etraflarına dağıtacakları ısı da o kadar az olacaktır doğal olarak. Ayrıca ne kadar az hava molekülü o kadar az güneş ışınları ile çarpışma; ne kadar az çarpışma o kadar düşük enerjili olma demektir. İşte bu yüzden yükseklere çıkıldıkça hava sıcaklığı düşer...