Ağırlıksız Olmak

Deney Kutusu köşesinin yeni etkinliğinde ağırlıksızlık kavramını ve bir cismin nasıl ağırlıksız olabileceğini gösteriyoruz.

Bilmekte fayda var!

Yürürken, otururken ya da yatarken yani yere temas ettiğimiz her an kendi ağırlığımızı belirgin bir biçimde hissederiz. Özellikle bir şeyleri uzun süre taşıdığımızda, taşıdığımız cismin ağırlığı kendini daha da fazla hissettirir. Bu yüzden ağırlık kavramı herkesin çok iyi bildiği ve hayatımızın her anında tecrübe ettiğimiz bir olgudur.

Şimdi biraz farklı düşünelim ve şu sorulara cevap arayalım: Acaba ağırlıksız olmak ne demektir? Kendimizi ne zaman ağırlıksız hissederiz? Ya da bir cismin ağırlıksız olduğu bir durum söz konusu mudur?

Ağırlık bir cisme etki eden kütleçekim kuvvetidir. Evrende kütleçekim kuvvetinin sıfır olduğu bir nokta yoktur. Çünkü kütleçekim kuvveti iki cisim arasındaki mesafenin karesiyle ters orantılıdır. Mesafe arttıkça kütleçekim kuvveti hızlı bir şekilde azalır, ancak hiçbir zaman sıfır olmaz.

Bir cismin ağırlığının olması için serbest hareket etmesini engelleyen bir şey olması gerekir. Kütleçekimi etkisinde serbestçe hareket eden cisimlere (örneğin hava sürtünmesinin olmadığı bir ortamda serbestçe yeryüzüne düşen cisimlere) herhangi bir kuvvet etki etmez, dolayısıyla ağırlıksızdırlar. Ancak serbest hareketi engelleyen bir şey varsa, her etkiye karşı bir tepki olduğunu söyleyen Newton’un üçüncü hareket yasasına uygun bir biçimde cisme bir kuvvet etki etmeye başlar. Örneğin yer yüzeyinde duran bir cismin ağırlığı vardır.

İvmeli hareket eden cisimlerin ağırlıkları ivmelenme yönlerine göre değişiklik gösterir. Örneğin yeryüzüne doğru ivmelenen bir cismin ağırlığı azalırken yeryüzünden uzaklaşan bir cismin ağırlığı artar.

Şimdi ağırlıksızlık kavramını bir örnekle açıklayalım. Asansör içinde dinamometre ile bir cismin ağırlığını ölçemeye çalıştığımızı varsayalım. Dinamometre yayı cismin kütlesinin büyüklüğüne göre belirli bir miktar uzayacak ve üzerindeki ölçekte belirli bir değer gösterecektir. Eğer asansör ile yukarı doğru ivmelenerek çıkarsak dinamometre yayının daha fazla uzadığını ve cismin ağırlığının arttığını, aşağı doğru ivmelenerek inersek yayın daha az uzadığını ve cismin ağırlığının daha düşük ölçüldüğünü gözlemleriz.

Asansör aşağı doğru ivmelenirken cismin ağırlığını daha az ölçtüğümüze göre acaba asansör aşağı doğru yerçekimi ivmesine eşit değerde ivmelenirse başka bir deyişle asansör serbest düşerse, dinamometre ile ölçtüğümüz ağırlık değeri ne olur? Bu sorunun cevabını Newton’un hareket yasaları çerçevesinde ele aldığımızda, aşağı doğru yerçekimi ivmesiyle ivmelenen asansörde dinamometrenin göstereceği değer sıfır olacaktır. Yani aşağı doğru yerçekimi ivmesiyle ivmelenirsek ağırlığımızı hissetmeyiz.

Nelere ihtiyacımız var ?

· Çapı 3 cm, kalınlığı 5 mm olan 1 adet neodyum mıknatıs

· Çapı 8 mm, kalınlığı 2 mm olan 12 adet neodyum mıknatıs

· Çapı 3 cm, kalınlığı 5 mm olan neodyum mıknatıstan çok az büyük olan ve boyu 25 cm olan bir ucu kapalı cam/pleksiglas boru

· Çapı 4 cm ve boyu 1 metre olan iki ucu açık cam/pleksiglas boru

· Renkli izolebant

· Normal izolebant

Ne yapıyoruz ?

İlk önce çapı 8 mm, kalınlığı 2 mm olan neodyum mıknatısları renkli izolebantla sararak birleştirelim. Böylece mıknatısların manyetik kuvvet etkisiyle cam boru içerisinde hareket etmesini engelleyebiliriz.

Daha sonra bu mıknatıs bloğunu kısa borunun içine yerleştirelim.

Son olarak, çapı 3 cm, kalınlığı 5 mm olan neodyum mıknatısı borunun ağız kısmı açık olan tarafına -mıknatısların birbirlerine bakan taraflarında aynı kutuplar karşı karşıya gelecek şekilde- sabitleyelim. Borunun kapalı ucuna cam borunun zarar görmemesi için sünger veya pamuk koyabiliriz.

Şimdi kısa cam boruyu uzun cam borunun içinde serbest bırakalım ve sonucu gözlemleyelim.

Deney sırasında uzun boruyu kısa borunun serbest düşerken doğrultu değiştirmesini engellemek için kullandık.

 

 

Peki uzun cam borunun alt kısmında mıknatıs olmasaydı, içindeki mıknatıslar serbest düşme sırasında havada asılı kalır mıydı? Bu soruya aynı deney düzeneğini kullanarak yapabileceğimiz ikinci bir deneyle cevap verebiliriz.

Kısa olan cam boruyu ters çevirip uzun cam boru içinde serbest bırakalım ve sonucu gözlemleyelim.

 

 

Ne oldu ?

Bu sistemi serbest düşmeye bıraktığımızda, ağırlığı manyetik kuvvet tarafından dengelenen küçük mıknatıslardan oluşan bloğun havada asılı kaldığını, hatta bir miktar yükseldiğini gözlemledik.

Bu deneyde kısa cam tüp içinde, küçük mıknatıslardan oluşan bloğun ağırlığı, mıknatıs bloğu ve büyük mıknatıs arasında oluşan manyetik itme kuvvetiyle dengelenmiştir. Bu sayede mıknatıs bloğu ilk deneyde cam tüp içinde havada dengede durabilmektedir. Mıknatıs bloğunun yukarı çıkmasının nedeni üzerine etki eden manyetik kuvvetin kütleçekim kuvvetinden büyük olmasıdır.

Manyetik itme kuvvetinin etkisinin olmadığı ikinci deneyde cisim düşerken yine ağırlıksız olmasına rağmen, cisme etki eden başka bir kuvvet olmadığı için kısa cam borunun içinde sabit kalmıştır.

Bu etkinlikle mıknatısların etkisiyle ortaya çıkan manyetik kuvvetler sayesinde serbest düşen cisimlerin ağırlıksız olduğunu gösterdik. Siz de serbest düşen bir cismin ağırlıksız olduğu farklı etkinlikler tasarlayabilirsiniz.

Kaynaklar:

• Slisko, J., Corona, A., “Showing weightlessness with magnetism”, Physics Education, Cilt 46, Sayı 5, s. 525, 2011.
• Balukovic, J., Slisko, J., Cruz, A. C., “Electrostatic demonstration of free-fall weightlessness”, Physics Education, Cilt 50, Sayı 3, s. 288, 2015.
• Balukovic, J., Slisko, J., Cruz, A. C., “A demonstration of ‘weightlessness’ with 1-kg mass and balloon”, The Physics Teacher, Cilt 53, Sayı 7, s. 440-441, 2015.