Newton Arabası Tasarlayalım

Jules Verne’nin Ay'a Seyahat kitabının yayımlanmasından yaklaşık yüz yıl sonra bu hayal gerçeğe dönüştü ve Ay'a ayak bastık. Jules Verne hayal gücüyle bizi Ay'a göndermişti, Newton ise hesaplarıyla... Hedeflerimize ulaşmamızı sağlayan en önemli teknolojilerden biriyse roketlerdi. Peki, roketler nasıl çalışıyor?

Deneyler köşesinin bu etkinliğinde bir araba tasarlayarak Newton'un hareket yasalarını ve roketlerin çalışma prensibini öğreniyoruz.

 

Bilmekte Fayda Var!

Newton'un hareket yasaları, bir cismin üzerine etki eden kuvvetler ile cismin hareketi arasındaki ilişkileri açıklar. Isaac Newton 1687’de yayımlanan Doğa Felsefesinin Matematiksel İlkeleri (Philosophia Naturalis Principia Mathematica) kitabında bu ilişkileri açıklayan üç hareket yasasını ve evrensel kütleçekim yasasını ortaya koymuştu.

Newton’ın birinci hareket yasası, cismin kütlesi ve hareket durumunun değişmesi için gerekli olan kuvvetle ilgilidir. Bir cismin kütlesi ne kadar büyükse hareket durumunu değiştirmek için gerekli kuvvet de o kadar büyük olur. Cismin hareket durumunu (örneğin duruyorsa durmaya, hareket ediyorsa sabit hızla hareket etmeye) devam ettirme isteğine yani hareket durumunu değiştirmeye karşı koymasına eylemsizlik denir. Newton'un ifadesiyle, hareketsiz bir cisim hareketsiz kalmaya eğilimlidir, duran bir cisim ancak onu harekete zorlayan bir sebep ortaya çıkarsa harekete başlar. Hareketli cisimler, sadece onları durdurmaya ya da yönlerini değiştirmeye çalışan bir etki varsa yön değiştirir ya da durur.

Newton'un ikinci yasası şunu ifade eder: Bir cisme dışarıdan uygulanan net kuvvet, cismi, kütlesiyle ters, uygulanan kuvvetle doğru orantılı olarak ivmelendirir.

Newton’ın ikinci yasasına göre eğer cisme etki eden net kuvvet sıfırsa cisim ivmelenmez yani hareket durumunu korur. Bu da Newton'un birinci yasası ile uyumludur.

Bir roketin uzayda yol almasını sağlayan temel ilke Newton'un üçüncü yasasıdır. “Her etkiye karşılık bir tepki vardır” ifadesi ile bilinen bu yasaya göre, bir cisim ikinci bir cisme kuvvet uygularsa ikinci cisim de birinci cisme aynı büyüklükte ancak zıt yönde bir kuvvet uygular.

Örneğin bir masanın üzerinde duran kitap, ağırlığı nedeniyle masanın üzerine bir kuvvet uygular. Üçüncü yasa, masanın da kitaba eşit büyüklükte ve zıt yönde bir kuvvet uyguladığını söyler. Kitabın masaya uyguladığı kuvvete etki kuvveti, masanın kitaba uyguladığı kuvvete ise tepki kuvveti denir. Ancak bu kuvvetler farklı cisimler üzerindedir.

Roketlerin uzayda yol almasını sağlayan temel ilke Newton'un hareket yasasıdır. 

Roketler, uzay araçlarının Dünya'nın kütleçekiminden yani yerçekiminden kurtulması için itme kuvveti oluşturur. Bu kuvvetin kaynağı, rokette bulunan katı ya da sıvı hâldeki yakıttır. Yakıt yakıldığında yanma tepkimesi sonucu oluşan gaz roketten çıkarken (etki kuvveti), roket gazın hareket yönünün tersi yönde hareket eder (tepki kuvveti). Bu da roketlerin yol almasını sağlar.

 

Nelere İhtiyacımız Var?

• 20 cm uzunluğunda, 6,5 cm genişliğinde bir tahta blok
• 3 adet vida
• Küçük boy ilaç şişesi
• Paket lastiği
• İp
• Kalın pipet
• Makas

Ne Yapıyoruz?

Vidaları, görseldeki gibi, tahta blok üzerine yerleştirelim.

 

Yan yana duran iki vidanın çevresine paket lastiğini geçirelim.

 

Lastiği iple gerip ipi üçüncü vidaya bağlayalım.

Newton arabamız hazır.

Düz bir zemin üzerine birkaç pipet yerleştirelim. Arabayı pipetlerin üzerine koyalım. V şeklini alan lastiğin ortasına ilaç şişesini yerleştirelim.

Lastiği geren ipi makasla keserek koparalım.

 

 

 

 

Ne Oldu?

Yaptığımız araba zemin üzerinde dururken üzerine etki eden kuvvetler dengelenmiştir ve üzerine etki eden net kuvvet sıfırdır. Araba da hareketsiz hâldedir. Bu durum Newton'un birinci yasasını gösterir.

Paket lastiği iple gerilip vidaya bağlandığında lastikte potansiyel enerji birikmiş olur. İp kesildiğinde lastikte biriken potansiyel enerji kinetik enerjiye dönüşür. Lastik arabanın üzerinde duran şişeye çarptığında önündeki ilaç şişesini iter. Şişe arabanın üzerinde dışarı doğru hareket ederken arabaya bir etki kuvveti uygular. Araba üzerine uygulanan bu etki kuvveti, aynı büyüklükte ve zıt yönde bir tepki kuvveti oluşturur. Böylece araba şişenin hareketine zıt yönde hareket eder. Bu durum Newton'un üçüncü yasasını gösterir.

Roket örneği üzerinden açıklarsak, roketten çıkan gazın roketi kendi hareket yönünün tersi yönde itmesine benzer şekilde, şişe bir yöne hareket ederken araba zıt yönde hareket eder.

Newton'un ikinci yasasını gösterecek düzeneği ise siz tasarlayabilirsiniz. Bunun için, paket lastiğini farklı uzunluklarda gererek lastikte biriken potansiyel enerji miktarını değiştirebilirsiniz. Bu durumda lastik serbest kaldığında farklı büyüklüklerde itme kuvveti oluşturur. Böylece arabanın ivmelenme miktarlarını kıyaslayabilirsiniz.

Kaynaklar:

• Challoner. J., Fizik, Çev.: Gürsel Tanrıöver, TÜBİTAK Popüler Bilim Kitapları, Ankara, 2011.
• Koupelis, T., Evreni Anlama Serüveni, Çev. Ed.: Tolga Güver, Nobel Akademik Yayıncılık, Ankara, 2017.
• http://bilimgenc.tubitak.gov.tr/makale/roketler-uzayda-nasil-yol-alir
• https://www.nasa.gov/stem-ed-resources/newton-car.html
• https://www.grc.nasa.gov/www/k-12/airplane/newton.html
• https://www.nasa.gov/audience/foreducators/topnav/materials/listbytype/How_Rockets_Work.html