Yapay Yer Çekiminin Nasıl Çalıştığını İnceleyelim

Çizim: Erhan Balıkçı

Bilim kurgu filmlerinde yapay yer çekimiyle ilgili sahnelere rastlamış olabilirsiniz. Peki, gerçekte bu mümkün olabilir mi?

Bilmekte Fayda Var!

Yapay yer çekimi, dönen bir uzay aracı ya da ivmeli hareket yapan bir aracın içinde ortaya çıkan yer çekimi benzeri etki olarak tanımlanabilir. Yapay yer çekimi farklı yollarla elde edilebilir. Örneğin doğrusal ivme, bir uzay aracında yapay yer çekimi elde etmenin bir yoludur. Dünya’dan fırlatılan bir uzay aracı düz bir çizgi üzerinde sürekli olarak hızlandırıldığında, uzay aracının içindeki insanlar ve nesneler sanki bir yer çekimi kuvveti kendilerini zıt yönde ivmelendirmeye çalışıyormuş gibi uzay aracının duvarlarına yapışır. Bu olgu, uzay araçlarının yörünge ayarlamaları sırasında iticiler ateşlendiğinde astronotlar tarafından deneyimlenir. Bu etkiyi daha iyi anlamak için kırmızı ışıkta duran bir arabanın içinde olduğunuzu hayal edin. Yeşil ışık yanıp araba harekete geçtiğinde geriye doğru itildiğinizi hissedersiniz. Ancak aslında sizi geriye doğru iten bir kuvvet yoktur. Bu durum içinde bulunduğunuz arabanın ileri yönde ivmelenmeye başlamasından kaynaklanır. Hissettiğinizin, yapay yer çekiminin basit bir örneği olduğu söylenebilir.

Yapay yer çekimi elde etmenin yollarından bir diğeri de santrifüj ya da merkezkaç etkisidir. Santrifüj ya da merkezkaç etkisi, içinde bulunulan ortamın dairesel bir hareket sırasında bir merkeze doğru ivmelenmesinden kaynaklanır. Örneğin içinde bulunduğunuz araba dairesel bir yol üzerinde sola dönerken siz sanki bir kuvvet sizi sağa doğru itiyormuş gibi bir hisse kapılırsınız ancak aslında bu bir yanılsamadır. Kendinizi dışa doğru savruluyormuş gibi hissetmenizin nedeni, içinde bulunduğunuz arabanın bir kuvvet etkisiyle yön değiştirmeye başlamasıdır. Arabaya etki eden kuvvet, takip edilen dairesel rotanın merkezine doğrudur yani merkezcildir. Merkezkaç etkisi ise gerçek bir kuvvet değildir. Arabanın içindeyken dışarı doğru savruluyormuşsunuz hissene yol açan etki aslında eylemsizliktir: Newton’un hareket yaslarının birincisi, üzerine hiçbir kuvvet etmeyen bir cismin düzgün doğrusal hareket edeceğini söyler. Merkezcil kuvvet etkisinde ivmelenmeye başlayan araba sizi peşinde sürüklemeye başlayana kadar düzgün doğrusal hareket etmeye devam edersiniz. Bu sırada virajdan dışarı doğru savrulursunuz.

VectorMine / iStock

Başka bir örnek ele alalım. Su dolu bir kâğıt bardağa ip bağlayıp, bardağı düşey düzlemde yeterince hızlı bir biçimde döndürürseniz bardaktan su dökülmez. Dönen bardağa ve arabanın içindeyken size uygulanan tek kuvvetin (yer çekimini göz ardı edersek) yönü dairesel hareketin merkezine doğrudur. Bu bir merkezcil kuvvettir. Bardağın içindeki su eylemsizlik ilkesi gereği doğrusal hareket etme eğilimindeyken, merkezcil kuvvet etkisiyle dönmeye başlayan bardak suyu da peşinde sürükler. Eğer bardağı tutan ip kesilirse merkezcil kuvvet ortadan kalkacağı için bardak düz bir çizgi hâlinde yol almaya başlar.

Science Photo Library

Nelere İhtiyacımız Var?

• 2 adet küçük plastik şişe
• Silikon tabancası ve silikon
• Pamuk ip
• Büyük iğne
• Bant
• Küçük kap
• Mısır unu
• Su

 

Ne Yapıyoruz?

Ne Oldu?

Plastik şişeleri hızlı bir şekilde döndürdüğümüzde şişelerin dip kısmında büyük parçacıkların birikmeye başladığını gözlemleriz. Bu durumun nedenini, Newton'un hareket yasalarını göz önünde bulundurarak  açıklayabiliriz. Şişeleri döndürmeye başladığımızda merkezcil kuvvet, şişeleri dairesel hareketin merkezine doğru çeker. Şişenin içerisindeki sıvıda bulunan parçacıklar da sıvı aracılığıyla bu kuvvetin etkisinde kalır. Aynı büyüklükte kuvvet etki eden iki cisimden kütlesi küçük olan daha çok, kütlesi büyük olan daha az ivmelenir. Bu yüzden süreç sonunda büyük kütleli cisimler dönme merkezinin uzağında, küçük kütleli cisimlerse dönme merkezinin yakınında birikir.

Elde ettiğimiz düzenek basit bir santrifüj düzeneğidir. Santrifüj genellikle laboratuvarlarda, içine yerleştirilen tıbbi karışımların dairesel dönme etkisiyle birbirinden ayrılmasını sağlayan bir cihazdır. Vücut sıvılarının birbirinden ayrılması, canlı hücrelerin ve proteinlerin ayrıştırılması, laboratuvar örneklerinin çözümlenmesi ve yoğunlaştırılması gibi amaçlarla kullanılırlar.

Marslı filmindeki, yapay yer çekimi üreten Hermes uzay gemisi

Bilim kurgu filmlerinde dairesel hareket yapan bir uzay aracının içindeki insanların yer çekimi olan bir ortamdaki gibi hissetmelerini sağlayan da, tıpkı santrifüj düzeneğindekine benzer şekilde, kişilerin eylemsizlikleri gereği düz bir çizgi boyunca hareket etme eğilimlerine karşı onları dairesel harekete zorlayan zeminin uyguladığı merkezcil kuvvettir. Kişiler sanki bir kuvvet onları tabana doğru itiyormuş hissine kapılır. Böylece bir  yapay yer çekimi ortamı oluşur.

 

Düşünelim!

Çamaşır makinelerinde sıkma sırasında su çamaşırlardan nasıl uzaklaşıyor olabilir?

 

Kaynaklar:

• Hewitt, P. G., Conceptual Physics, Pearson, 2015.
• https://ntrs.nasa.gov/api/citations/20070001008/downloads/20070001008.pdf
• https://interestingengineering.com/create-artificial-gravity-space
• https://courses.lumenlearning.com/physics/chapter/6-4-fictitious-forces-and-non-inertial-frames-the-coriolis-force/