Sabah kalkıp otobüse binerken, otobüs aniden fren yaptığında öne doğru savrulmanızın nedenini hiç düşündünüz mü? Ya da bir futbol topuna vurduğunuzda topun neden hızlanıp gittiğini, ayağınızın da bir miktar geri tepki hissettiğini? Bütün bunların arkasında, üç yüz yılı aşkın süredir fiziğin temel taşlarından biri olan Newton'un hareket yasaları yatıyor. Isaac Newton bu yasaları 1687 yılında yayımladığı "Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica" adlı eserinde ortaya koydu ve o günden bu yana insanlığın hareketi anlama biçimini kökten değiştirdi.
BİRİNCİ YASA: EYLEMSİZLİK (ATALET) YASASI
Newton'un birinci yasası şöyle der: Bir cisme net bir kuvvet etki etmiyorsa, o cisim ya durgun kalmaya devam eder ya da sabit hızla düz bir çizgide hareketine devam eder. Bu yasa aslında Galileo'nun eylemsizlik fikrinin bir devamı niteliğindedir ve günlük hayatta sürekli karşımıza çıkar.
Otobüs örneğine geri dönelim: Otobüs hareket halindeyken siz de otobüsle birlikte hareket ediyorsunuzdur. Otobüs aniden durduğunda, sizin vücudunuz hâlâ eski hızıyla hareket etmeye "devam etmek ister" - işte bu yüzden öne doğru savrulursunuz. Emniyet kemerleri tam da bu noktada devreye girer; onlar olmasaydı, vücudunuzun eylemsizliği sizi ön cama kadar taşıyabilirdi.
Masanın üzerinde duran bir bardağı düşünün. Üzerine hiçbir net kuvvet etki etmediği için (yerçekimi ile masanın tepki kuvveti birbirini dengeler) bardak olduğu yerde durur. Bu basit gözlem, aslında yasanın en temiz örneklerinden biridir.
İKİNCİ YASA: F = m·a
İkinci yasa, hareketin matematiksel kalbidir ve şu formülle ifade edilir:
F = m · a
Burada F net kuvveti (Newton biriminde, N), m cismin kütlesini (kilogram, kg) ve a ivmesini (m/s²) temsil eder. Bu denklem bize, bir cisme uygulanan net kuvvetin, o cismin kütlesiyle ivmesinin çarpımına eşit olduğunu söyler. Formülü biraz açalım:
E er aynı kuvveti iki farklı kütleye uygularsanız, kütlesi küçük olan cisim daha büyük ivme kazanır. Bir bowling topunu ve bir tenis topunu aynı kuvvetle itmeye çalıştığınızı düşünün - tenis topu çok daha hızlı hızlanacaktır çünkü kütlesi çok daha azdır. Matematiksel olarak bunu şöyle gösterebiliriz:
a = F / m
Yani ivme, kuvvetle doğru, kütleyle ters orantılıdır. Bir arabanın hızlanma performansını düşünün: Aynı motor gücüyle (yaklaşık olarak sabit kuvvet varsayımıyla) daha hafif bir araç, daha ağır bir araca göre daha hızlı ivmelenir. Spor arabaların hafif karbon fiber gövdelerle üretilmesinin bir nedeni de tam olarak budur.
Örnek bir hesaplama yapalım: 1000 kg kütleli bir arabaya 3000 N'luk net bir kuvvet uygulandığında ivmesi ne olur?
a = F / m = 3000 N / 1000 kg = 3 m/s²
Bu, arabanın her saniyede hızının 3 m/s arttığı anlamına gelir. Duran bir arabanın 5 saniye sonunda hızı: v = a·t = 3 × 5 = 15 m/s olur ki bu da yaklaşık 54 km/saat eder.
ÜÇÜNCÜ YASA: ETKİ-TEPKİ YASASI
Üçüncü yasa şöyle özetlenir: Her etkiye eşit büyüklükte ve zıt yönde bir tepki vardır. Bu, günlük hayatta belki de en sık gözlemlediğimiz yasadır. Yürürken ayağınızla yere bir kuvvet uygularsınız (geriye doğru itersiniz), yer de size eşit ve zıt yönde bir kuvvet uygular (ileriye doğru) - işte yürümenizi sağlayan da budur.
Roketlerin uzaya fırlatılması da bu yasanın en etkileyici uygulamasıdır. Roket motorları, yanan gazları büyük bir hızla aşağıya doğru püskürtür; gazlar aşağı yönde itilirken, roket de yukarı yönde eşit büyüklükte bir tepki kuvveti alır. Uzay boşluğunda "itecek hava olmadığı" için roketlerin nasıl hareket ettiğini merak edenler için bu yasa mükemmel bir açıklama sunar - roket havayı değil, kendi ürettiği gazı iter.
Yüzücülerin havuzda ilerlemesi, bir silahın geri tepmesi, hatta bir balonun ağzını bıraktığınızda odada uçuşması - hepsi aynı prensibin farklı görünümleridir.
GÜNLÜK HAYATTAN DAHA FAZLA ÖRNEK
Bisiklet sürerken pedal çevirdiğinizde zincir aracılığıyla arka tekerleğe kuvvet aktarılır, tekerlek yere kuvvet uygular, yer de tepki kuvvetiyle sizi ileri iter (üçüncü yasa). Bisikletin hızını artırmak istediğinizde daha fazla kuvvet uygularsınız ve F=ma gereği ivmeniz artar (ikinci yasa). Pedal çevirmeyi bıraktığınızda ise sürtünme ve hava direnci gibi kuvvetler devreye girene kadar bisiklet bir süre aynı hızda gitmeye devam eder (birinci yasa, sürtünmesiz idealde sonsuza kadar gider).
Asansörde yukarı çıkarken hızlanma anında kendinizi biraz daha ağır hissetmeniz de ikinci yasanın bir sonucudur; asansör tabanı size normal ağırlığınızdan fazla bir kuvvet uygular çünkü sizi hem yerçekimine karşı tutmak hem de yukarı doğru ivmelendirmek zorundadır.
SONUÇ OLARAK NEDEN ÖNEMLİ?
Newton'un yasaları, mühendislikten spor bilimine, otomotiv güvenliğinden uzay araştırmalarına kadar sayısız alanın temelini oluşturur. Bir köprü tasarlarken, bir arabanın fren sistemini geliştirirken ya da bir uydunun yörüngesini hesaplarken mühendisler hâlâ bu üç basit ama güçlü yasayı kullanır. Günlük hayatınızda karşılaştığınız hemen her hareketin ardında, aslında üç yüzyıl önce yazılmış bu denklemler saklıdır.