Mekanik
Mekanik, cisimlerin itme ve çekme gibi kuvvetlerin etkisi altmdayken nasıl davrandıklarını araştıran fizik dalıdır. Bütün mühendisler tasarımlarında ve günlük çalışmalarında mekanikten yararlanır. Mekanik iki ana dala ayrılır. Statik denen birinci dal, hareket halinde olmayan cisimlere ilişkindir; ikinci dal olan dinamik ise hareket halindeki cisimleri ele alır.
Kuvvet, mekanikte en önemli kavramlardan biridir. Dünya’nın bütün cisimler üzerinde etki yapan çekim kuvveti, herkesin kendi üstünde duyumsayabildiği bir etkidir. Bir cismin kütlesi ne kadar büyükse (yani içerdiği madde miktarı ne kadar çoksa), kendi üstünde etki yapan kütleçekim kuvveti de o kadar büyüktür. Bizim “ağırlık” dediğimiz şey, aslında herhangi bir cismin üstünde etki yapan
kütleçekim kuvvetidir. Kuvvet birimi “newton”dur ve kütlesi 1 kg olan bir cismin ağırlığı, yaklaşık 10 newtondur.
Statikte, cismi etkileyen kuvvetler dengelenmiş durumdadır; dengelenmemiş olsalar cisim hareket eder. Bu, fıskiyeden püsküren suyun üzerinde duran bir pinpon topu örneğiyle gösterilebilir. Topun ağırlığı aşağı doğru etki yapan bir kuvvettir. Bu kuvvet, suyun topu yukarıya doğru etkilediği kuvvetle dengelenir. (Elinizi fıskiyenin üzerine tutarsanız, suyun itme kuvvetini duyumsarsınız.) Su kesildiğinde top düşer; çünkü artık topun ağırlığını dengeleyecek bir kuvvet kalmamıştır. Mühendisler, köprü parçalarının boyutlarını ve dayanıklılığını hesaplarken, bunların taşıyacağı yüklerin, yani kuvvetlerin dengelenmesi gereğini göz önünde bulundururlar. Bu kuvvetlere, köprünün kendi ağırlığının yanı sıra, köprünün üzerinde aşağı doğru itme etkisinde bulunan taşıtlar ya da yana doğru itme etkisinde bulunan şiddetli rüzgârlar yol açabilir.
Statik, cisimleri “destek” olarak adlandırılan bir nokta ya da eksen etrafında döndürmeye çalışan kuvvetleri de inceler. Bir desteğin üzerine oturtulmuş olan ve bir ucunda ağır bir adamın, öteki ucunda ise küçük bir çocuğun oturduğu bir tahterevallinin dengede durabilmesi için adamın desteğe çok daha yakın olması gerekir. Tahterevallinin dengede durma koşulu, adamın ağırlığı ile ortadaki destekten uzaklığının çarpımının, çocuğun ağırlığı ile destekten uzaklığının çarpımına eşit olmasıdır. Bu durumdaki bir tahterevallide, adam biraz ortaya yaklaşsa, bulunduğu uç havaya kalkar, yani adam yükselir. Küçük bir kuvvet uygulanarak ağır bir yükü kaldırmaya yarayan kaldıraç bu ilkeye dayanır.
Bir kuvvet bir cismi hareket ettirdiğinde iş yapar ve yapılan işin miktarı, kuvvetin büyüklüğüne ve cisme aldırdığı yolun uzunluğuna bağlıdır. İş, joule (jul) birimiyle ölçülür. Eğer 750 newton ağırlığında bir adam 4 metre yüksekliğindeki bir merdiveni çıkarsa 750x4=3.000 joule iş yapar. Güç, birim zamanda yapılan iştir. Saniyede yapılan iş 60 joule ise, güç 60 watt’tır. Adam aynı merdiveni 3 saniyede çıkmışsa, bu kısa süre içinde
3.000/3=1.000 watt
güç harcamış demektir.
İş yapabilmek için enerji kullanmak gerekir; bu nedenle enerji, iş birimleriyle ölçülür. 1 joule iş yapmak için 1 joule enerji gerekir. Merdiven çıkan adam enerjiyi, yediği besinlerden sağlar. Yiyeceklerin sindirilmesiyle oluşan maddeler solunan havanın oksijeniyle birleşince enerji açığa çıkar. Makineler de enerjiyi, kullandıkları yakıttan sağlar.
Dinamikte, kuvvet ile hareket birbiriyle bağıntılıdır. En önemli dinamik yasalarından üçünü 1687’de büyük İngiliz bilgini Sir Isaac Newton ortaya koydu. Uzayla uğraşan bilim adamları, Ay’a ya da Mars’a ulaştırılmak istenen bir roketin izlemesi gereken yolu, bu yasalardan yararlanarak ve bilgisayarların yardımıyla belirlerler.
Serbestçe hareket edebilen bir cismin üzerinde etki yapan bir kuvvet, cismin giderek hızlanmasına yol açar. Hızın artma oranına, yani hızlanma hızına ivme denir. İvme, cismin kütlesine ve üzerine uygulanan kuvvetin büyüklüğüne bağlıdır. Kütleleri aynı olan iki kamyondan, motoru daha güçlü olanı, yani motoru daha büyük bir kuvvet uygulayabilecek olanı, daha çabuk hızlanır. Öte yandan yüklü bir kamyon, boş kamyondan daha düşük bir ivmeye sahiptir.
Bir kuvvetin hareket ettirdiği cisim momentum kazanır. Momentum, cismin kütlesi ile hızının çarpımı olarak tanımlanır. Çarpışan iki cismin toplam momentumları aynı kalır. Buna göre, saniyede 10 metre hızla giden bir vagon aynı kütledeki bir başka vagonla çarpışırsa ve bunlar çarpışma anında birbirine kenetlenirse, iki vagonun birlikte ağırlığı iki katına çıkmış, ama hızı yarıya düşmüş bir cisim olarak saniyede 5 metre hızla hareketini sürdürür.
