Merkezcil mi, Merkezkaç mı?

Keskin bir viraja giren bir araçtaki yolcuların nerdeyse tamamı dışa doğru savrulduklarından emindir ve bunun üzerine her türlü iddiaya girebilirler. Yolcuların “neredeyse” tamamı dedik çünkü aralarında bir fizikçi varsa virajın dışına doğru değil de içine doğru savrulduğunu söyleyecek hatta iddia edecektir. Bu konuda onunla iddiaya girmemenizi öneririz, en azından bu yazının tamamını okuyana kadar!

virajda_savrulan_araba.jpg

Nasıl olur da dışa doğru savrulduğumuzdan bu kadar eminken içe doğru savrulmuş olabiliriz? Lunaparkta dönen salıncak dışa doğru savrulmuyor mu? Peki ya dışa doğru savrulma olmuyorsa çamaşır makineleri çamaşırların suyunu nasıl sıkıyor?

camasir_makinasi_donme_kuvveti.jpg

Yukarıdaki örnekler günlük hayatımızda tanık olduğumuz, cisimlerin dairesel hareket yapmaları sonucu oluşan ancak gözlem ile açıklaması birbiriyle çelişen, biraz kafa karıştırıcı ama bir o kadar da ilginç olaylardır.

gunes_sistemi_gezegenler_yorunge.jpg

Fizikçiler, gözlem yaparak evrenin her yerinde geçerli olan temel doğa yasalarını bulmaya, bu yasalar yardımıyla evreni anlamaya çalışırlar. Doğa yasalarını bulmak zordur ama bir o kadar da zor olan doğru gözlem yapabilmektir. Çünkü fiziksel olayları uygun bir gözlem çerçevesinden izlemiyorsak, örneğin gözlem yaptığımız yer ivmeli hareket yapıyorsa yanlış gözlem yapabilir ve gerçek olmayan kuvvetleri hissedebiliriz.

Viraja giren araçta yolcuların hissettikleri dışa doğru savrulma yani merkezkaç kuvvet de yanlış bir çerçeveden (ivmeli hareket yapan aracın içinden) gözlem yapılmasından kaynaklanır ve gerçek bir kuvvet değildir! Eğer araçtaki yolcuları uygun bir çerçeveden (aracın dışından, durağan bir gözlem çerçevesinden) gözlersek sadece merkeze doğru yönelmiş merkezcil bir kuvvetin etkisi altında olduklarını görürüz. Günlük hayatta bizlerin de zaman zaman deneyimlediği bu ilginç durumu, hareketli ve hareketsiz gözlem çerçevelerinden bakarak ve Newton’un birinci hareket yasasını göz önünde bulundurarak açıklayabiliriz.

Newton’un birinci hareket yasası, “eğer bir cismin üzerine dış bir kuvvet etki etmiyorsa bu cismin duruyorsa durmaya, hareket ediyorsa hızını değiştirmeden hareketine devam edeceğini” söyler. Yani dış bir kuvvet yoksa cisimler hareketlerini korumaya çalışır. Newton’un bu yasasını kullanarak merkezkaç kuvvetin gerçek bir kuvvet olmadığını, sadece yanlış bir gözlem çerçevesinden olaya bakıldığında gözleneceğini aşağıdaki çizimleri inceleyerek daha iyi anlayabiliriz.

Hızı 60 km/h olan bir aracın düz bir yolda hızını değiştirmeden A noktasından B noktasına geldiğini düşünelim.

hareket_eden_nesneye_etki_eden_kuvvetler_1.png

Aracın hızında bir değişme olmadığı için araca etki eden bir dış kuvvet yoktur ve araçtakiler de üzerlerinde herhangi bir kuvvet hissetmeyecektir.

Aynı araç A noktasından B noktasına giderken aracın şoförü aniden ana yoldan çıkmaya karar verir ve direksiyonu kırarak aynı hızla (60 km/h) viraja girerse araç C noktasına geldiğinde hızının büyüklüğü değişmemiş ama yönü değişmiş olur.

hareket_eden_nesneye_etki_eden_kuvvetler_arac_viraj.jpg

Aracın yönü değiştiği için buna sebep olan bir dış kuvvetin olduğunu söyleriz. Bu kuvvet, dışarıdan veya aracın içinden yapacağımız gözleme bağlı olarak merkeze veya dışa doğru yönelmiş bir kuvvet olarak görünür. Merkezcil veya merkezkaç kuvvetle ilgili karışıklık da gözlemi nereden yaptığımızdan kaynaklanır.

Bu durumu dışarıdan yani hareketsiz bir gözlem çerçevesinden (doğru gözlem çerçevesi) izlersek, aracın dış bir kuvvet yokken normalde B noktasında olması gerekirken, yönü O merkezine doğru olan bir dış kuvvetin etkisinden dolayı yoldan çıkarak C noktasına geldiğini söyleyebiliriz. Yani dışarıdan bakarsak araca ve yolculara etki eden O merkezine yönelmiş merkezcil bir kuvvet olduğu sonucuna ulaşırız. Buradaki merkezcil kuvvet tekerlekler ile yol arasındaki sürtünme kuvvetidir ve gerçek bir kuvvettir.

Aracın içindeysek (yanlış gözlem çerçevesi) durum dışarıdan gördüğümüzden farklı olacaktır. Eğer araç A noktasından B noktasına gelmiş olsaydı yolcular bir şey hissetmeyecekti ancak aracın viraja girip C noktasına gelmesiyle yolcular kendilerini O merkezinden dışa doğru savuran bir merkezkaç kuvvet olduğunu söyleyeceklerdir. Bu kuvvet, aracın içinden gözlem yapıldığı için gerçek olmayan bir kuvvettir. Özetle, doğru bir gözlem çerçevesinden bakıldığında gözlenen kuvvet merkeze doğru yönelmiş merkezcil kuvvettir, merkezkaç kuvvet ise hareketli olan aracın içinde hissedilen bir kuvvet olup gerçek değildir.

Olayı içeriden ve dışarıdan izlememiz bizi farklı sonuçlara götürse de asıl soru hâlâ cevaplanmamıştır: Merkezkaç kuvvet gerçek bir kuvvet değilse ve sadece yanlış yerden gözlem yapıldığı için hissediliyorsa aracın içindeki yolcular neden dışa doğru savrulur? Newton’un birinci yasası bu soruya açıklık getirir.

Yukarıdaki çizimlerde görüldüğü gibi sabit hızla doğrusal hareket eden araç ve aracın içindeki yolcular A noktasındaki hızlarını koruyarak B noktasına gelme eğiliminde olacaklardır. Araç, merkezcil kuvvetten dolayı yönünü değiştirmeye başladığında yolcular, eğer kendilerini tutan bir engel yoksa düzgün doğrusal hareketlerini korumaya çalışarak B noktasına gitme eğiliminde olacaklardır. Bu durum, aracın içindeki yolcuların sanki bir kuvvet kendilerini dışa doğru çekiyormuş gibi hissetmelerine ve savrulmalarına sebep olur. Başka bir deyişle merkezkaç kuvvet, gerçek bir kuvvet olmayıp cisimlerin sahip oldukları düzgün doğrusal hareketlerini korumalarının sonucu oluşan ve sadece hareketli gözlem çerçevesinde hissedilen bir durumdur.

Sonuç olarak, merkezcil kuvvet, viraja giren araç örneğindekine benzer şekilde sürtünme kuvveti veya gezegenleri yörüngede tutan kütle çekim kuvveti gibi kaynağı farklı olabilen gerçek ve fiziksel bir kuvvettir. Merkezkaç kuvvet ise fiziksel kaynağı olmayan, sadece ivmeli hareket yapan gözlem çerçevelerinde ortaya çıkan gerçek olmayan bir kuvvettir.

Kaynaklar:

• Temel Fizik Ders Notları, Hüseyin Sarı, Ankara Üniveristesi Açık Ders Notları
• https://fizikdersi.gen.tr/merkezcil-kuvvet-merkezkac-kuvveti-nedir/