İvme
İvme, belirli bir yönde hareket etmekte olan bir cismin hızının belirli bir zaman aralığındaki değişim miktarıdır. Başka bir deyişle ivme, bir cismin hızının değişim hızıdır. Hız ise, hareketli bir cismin belirli bir zaman aralığında aldığı yolun uzunluğudur ve fizikte hız her zaman hareketin yönüyle birlikte belirtilir. İvme genellikle hızın artması olarak düşünülür, ama fizikte ivme hızın azalması anlamına da gelir.
Bir motorlu aracın, örneğin bir otomobilin gaz pedalına basıldığında araç hızlanır. Hızın belirli bir zaman aralığındaki bu artışı, aracın izlemekte olduğu yol doğrultusundaki ivmesidir. Örneğin, eğer araç 10 saniyelik bir süre içinde saatte 50 km hıza ulaşmışsa, ortalama ivmesi her saniye için saatte 5 kilometredir. Yani araç her saniye, saatte 5 km daha hızlı yol almıştır. Eğer araç bu ivmeyle hızlanmaya devam ederse ikinci 10 saniyenin sonunda hızı saatte 100 kilometreye ulaşır.
Eğer sürücü, saatte 50 km hızla giderken frene basarsa ve araç yavaşlayıp 5 saniye sonra durursa, ivme (bu kez yavaşlama) her saniye için saatte 10 kilometredir. Hızın azalmasına bazen eksi ya da negatif ivme de denir.
İvme ve Kuvvet
Bir otomobil ya da bisikletin hızını değiştirmek için belirli bir kuvvetin uygulanması gerekir. Otomobili durdurmak için sürücü fren pedalına basınca, tekerleğin iç kesimindeki fren pabuçları tekerleğe sıkıca yapışır; işte bu fren pabuçları ile tekerlek arasındaki sürtünme kuvveti otomobili durdurur. Sürtünme kuvveti ne kadar büyükse, otomobil o kadar çabuk durur. Bunun tersine, eğer otomobil çok çabuk hızlandırılmak isteniyorsa, sürücü gaz pedalına sertçe basar ve bunun sonucunda motora daha çok yakıt gider. Böylece motora beslenen ek enerji daha büyük bir kuvvetin oluşmasına yol açarak otomobilin daha kısa sürede hızlanmasını yani ivmelenmesini sağlar.
Bazı durumlarda hızlanma çok daha çabuk gerçekleşir, yani ivme daha büyük olur. Örneğin raketle vurulan bir top ya da silahtan ateşlenen bir mermi, kendisini iten kuvvet daha üzerinden kalkmadan çok çabuk ve çok büyük bir ivme kazanır. Bu cisimlerin çok büyük hızlara ulaşmaları için geçen süre çok kısadır ve saniyenin bindelik kesirleriyle ölçülür. Bir cismin bu kadar büyük bir ivme kazanabilmesi için o cisme etki eden kuvvetin de çok büyük olması gerekir.
Hareket Yasası
Bir otomobilin çok hızlı kalkabilmesi için, ya küçük olması ya da motorunun çok güçlü olması gerekir. Bir taşı çok hızlı fırlatabilmek ya da çok uzağa düşürebilmek için, taşı atanın oldukça kuvvetli olması gerekir. 17. yüzyılda İngiliz bilim adamı Sir Isaac Newton, ivme ile onu doğuran kuvvetin birbiriyle bağıntılı olduğunu buldu. Newton, ağır bir cismin hızını değiştirmek için gerekli olan kuvvetin, daha hafif bir cisim için gerekli olandan daha büyük olduğunu ve kullanılan kuvvet ne kadar büyükse ivmenin de o kadar büyük olacağını ortaya koydu. Bu bağıntı Newton’ın “ikinci hareket yasası” olarak bilinir ve F = m x a denklemiyle gösterilir. Denklemde görüldüğü gibi kütle (m) ya da ivme (a) ne kadar büyükse, kuvvet (F) de o kadar büyük olur. Eğer bisikletin arkasına paten kayan bir çocuk tutunursa, bisiklete belirli bir ivme (a) kazandırabilmek için öncekinden daha büyük bir kuvvet (F) kullanmanız gerekir; çünkü hareket ettireceğiniz kütle (ra) büyümüştür.
Roketler ve İvme
Kuvvet, kütle ile ivmenin çarpımına eşittir. Roketli fırlatma sistemleri üzerinde çalışan bilim adamları, bir uyduyu ya da uzay aracını Dünya’nın çevresindeki bir yörüngeye taşıyacak roketin itme kuvvetinin ne kadar olması gerektiğini bulmak için bu eşitlikten yararlanırlar. Roketin yerçekimi kuvvetini ve havanın sürtünme kuvvetini yenebilmesi için büyük bir itme kuvveti gerekir. Taşıdığı uydu ya da uzay aracını gerekli yörünge yüksekliğine ulaştırabilmesi için roketin yeterli yakıtı olmalıdır. Bu yükseklikte hava çok az olduğu için sürtünme de çok azdır. Uydunun Dünya çevresindeki yörüngesinde dolanımını sürdürebilmesi için, aracın yerçekimi kuvvetini tam olarak dengeleyebileceği bir ivme kazanması gerekir. Bu yapılmazsa uydu yerçekiminin etkisinden kurtulamaz ve yeryüzüne geri döner.
Bir roketin taşıdığı uyduyu ya da uzay aracını Dünya çevresinde bir yörüngeye oturtabilmesi için saniyede 8 km hıza ulaşması gerekir. Eğer roket saniyede 12 kilometrelik bir hıza ulaşırsa Dünya’nın çekiminden bütünüyle kurtulabilir. Saniyede 8 kilometrelik bir hıza 10 dakikalık bir zaman aralığı içinde saniyede 13,4 metre bölü saniyelik ya da kısaca 13,4 m/sn2’lik bir ivmeyle ulaşılabilir. Roket, rampasından hareket ettiği anda hemen hemen hiç hareket etmiyormuş gibi görünür. İlk saniye içinde yalnızca 6,7 metre yol alır; bu uzunluk roketin kendi uzunluğundan çok daha azdır. Ama ikinci saniyede 20,1 metre yol alır ve hızı saniyede 26,8 metreye ulaşır. Sekizinci saniyenin sonunda yaklaşık olarak yarım kilometre yol almış ve hızı saniyede 107,2 metreye ya da saatte 386 kilometreye ulaşmış olur. Bir dakikanın sonunda roketin hızı yaklaşık olarak saatte 2.894 kilometreye ya da saniyede 800 metreye ve yerden yüksekliği 24 kilometreye ulaşır. Eğer roket normal biçimde çalışırsa, kalkıştan 10 dakika sonra 2.400 km yol alarak istenen yükseklikteki yörüngeye girer ve saniyede 8 km hızla Dünya çevresinde dolanmaya başlar.
Roket, Dünya çevresinde yerçekimi kuvvetini dengelemeye yeterli bir hızla dolanmaya başladıktan sonra artık roketin itme kuvvetine gerek kalmaz. Uyduyu yavaşlatacak herhangi bir kuvvet, örneğin atmosferin sürtünme kuvveti olmadığından araç yörüngedeki dolamınım sabit bir hızla sonsuza kadar sürdürür.
Bir gezegen ya da uydunun, daha büyük bir gökcisminin çevresinde sabit bir hızla dolanmayı sürdürmesi eylemsizlik adı verilen fizik ilkesinin bir sonucudur. Eylemsizlik, bir cismin yapmakta olduğu hareketi ya da hareketsizlik durumunu koruma özelliğidir. Hareket halindeki bir cismi, herhangi bir kuvvet etkilemediği sürece düz bir çizgi üzerinde hareket eder. Yörüngede dolanan bir cisim, düz bir çizgi boyunca değil bir çember ya da elips üzerinde yol alır. Aslında cisim bu yörüngeden kurtularak düz bir çizgi üzerinde hareket etmeye çalışır, ama kütleçekimi onun yörüngeden kurtulmasını engeller. Cismin, dairesel yörüngeden kurtularak düz bir çizgi üzerinde hareket etmeye çalışmasına yol açan kuvvet, o cismin eylemsizliğinden kaynaklanan merkezkaç kuvvettir.
Dünya çevresinde dolanan bir uydu, bir ipin ucuna bağlanarak havada döndürülen bir topa benzer. İpin ucundan tutup topu çevirmeye başladığımızda, top kurtulup gitmek ister, ama elimizle ipi “çekerek”, topun dairesel yörüngesinde kalmasını sağlarız. İpi bir anda bırakırsak ya da ip koparsa, top uçarak düz bir çizgi üzerinde yol almaya başlar. Dünya’nın çevresinde dolanan uydu örneğinde, Dünya elimizin, yerçekimi de ipin işlevini görür. Eylemsizlik kuvveti ile yerçekimi dengelendiğinde, uydu yörüngede kalır ve dolanmayı sürdürür.
Yerçekimi İvmesi
Yerçekimi kuvveti, uyduları Dünya çevresinde yörüngede tutar ve onların yörüngeden kurtularak uzayda uzaklaşıp gitmesini önler. Yerçekimi, cisimleri Dünya’ya doğru çektiği için başka bir kuvvetle dengelenmediği zaman etkilediği cismin yeryüzüne düşmesine neden olur. Yerçekimi etkisiyle yeryüzüne doğru düşmekte olan bir cisim gittikçe hızlanarak düşüşünü sürdürür. Cisim ne kadar yüksekten düşerse, düşme hızı da o kadar artar. Serbestçe düşen bir cismin hızının artmasına yerçekimi ivmesi denir. Bir gökdelenin çatısından düşen bir topu tutmaya çalışırsanız bunun hemen hemen olanaksız olduğunu görürsünüz. Bu zorluğun nedeni yerçekimi ivmesidir. Topun düşmesi 5 saniye sürse, beşinci saniyenin sonunda top yerçekiminin ivmesiyle hızlanarak neredeyse saatte 175 km hıza ulaşır. Topu tutacak kişi bir anda bu hızı sıfıra düşürmek zorundadır. İvme, hızın birim zamandaki değişimi olduğuna göre, yakalama anında topun hızının çok büyük bir ivmeyle sıfıra indirilmesi gerekir. Newton’ın “ikinci hareket yasası”na göre ivme ne kadar büyükse, bu ivmeyi doğuran kuvvetin de o kadar büyük olması gerekir. Bu durumda hızla düşen topu bir anda durdurmak için çok büyük bir kuvvet kullanmak gerekecektir.
Bir cismi etkileyen yerçekimi kuvveti, o cismin Dünya’nm merkezine olan uzaklığına bağlı olarak değişir. Bu nedenle yerçekimi ivmesi de, yeryüzünde bulunulan yere göre bir miktar değişiklik gösterir; yerçekimi ivmesi kutuplarda saniyede 9,83 metre bölü saniye, ekvatorda ise saniyede 9,78 m etre bölü saniyedir. Yerçekimi ivmesini ortalama 9,81 m/sn2 olarak kabul edersek, serbestçe düşen top beş saniye sonra 5x9,81=49,05 metre bölü saniyelik bir hıza ulaşmış olacaktır. Yerçekimi kuvveti sabit olduğu için yerçekimi ivmesi de sabittir; yani düşen bir cismin hızının artış hızı hep aynı kalır ve cisim düştüğü sürece her geçen saniyede hızı aynı miktarda artar. Tüy ya da kâğıt gibi bazı cisimlerin bir taş ya da demir parçasından daha yavaş düştüğünü görürüz. Bunun nedeni havanın direncinin geniş yüzeyli cisimler üzerindeki engelleyici etkisidir. Havasız bir ortamda ise bütün cisimler aynı hızla düşer.
Düz bir çizgi üzerindeki harekette ivmeyi anlamak kolaydır, çünkü bu durumda açıkça görülebilen bir hız değişikliği söz konusudur. Cisim ya hızlanır ya da yavaşlar. Ama, ipin ucunda çevrilen ve bunun sonucunda sürekli yön değiştiren topun durumu ne olacak? İpi tutan kişi, topun dairesel yörüngede kalması için bir kuvvet uygular. Bir uçağın havada bir tur atması için de bir kuvvet uygulamak gerekir. Görülüyor ki, bu durumda hareket halindeki cismin yönünü değiştirmek için bir yöndeki hızını azaltıp, öteki yöndeki hızını artıracak biçimde bir kuvvet uygulamak gerekir.
İpin ucunda dönen top ya da yörüngedeki uydu sürekli olarak yön değiştirir. Topun ya da uydunun sabit bir hızla dairesel bir yörüngede hareket etmesini sağlayan kuvvet, aslında hareket halindeki cismi dairenin merkezine doğru ivmelendirmektedir. Başka bir deyişle, cismin eylemsizliği onu düz bir çizgi üzerinde hareket etmeye zorlar, ama çekme kuvveti eylemsizliğe karşı çıkarak cismin yönünü değiştirir. Bu yön değişikliği çekme kuvveti yönünde bir ivme doğurur. Görüldüğü gibi ivme, yalnızca belli bir yöndeki hızın değişim hızı değil, bir hareketin yönündeki değişimin hızı olarak da düşünülebilir. İvme, kuvvet, enerji ve yerçekimi birçok yönden birbiriyle bağıntılıdır ve birlikte etki yapar.