Teknolojinin Bilimsel İlkeleri Dersi 1. Ünite Özet

Giriş

Evrende atomlardan insanlara, insanlardan gezegen ve farklı türden gök cisimlerine kadar canlı veya cansız her şey hareket hâlindedir. Hareket belirli bir referans noktasına göre tanımlandığında anlam kazanır.

Uzay denen boşlukta çok yüksek hızlarda salınıp duran dünyamızın içinde bizler bu hareketin farkına varamayız. Oysa başka bir gezegende gözlem yapan bir gözlemciye göre hareketsiz gibi görünmeyiz. Bu yüzden hareketi ifade eden denklemler belirli koordinat sistemleri baz alınarak yazılır.

Aynı araçta yol alan tüm yolcular birbirlerine göre hareketsizdir. Oysa yere göre hiç şüphesiz belirli hız değerlerine sahiptirler. Yine gözlemler neticesinde elde edilen verilerin ortak bir dille ifade edilmesi bilimin evrenselliği gereği kaçınılmaz bir sonuçtur. Kavramları ifade ederken nesnellik veya kişiden bağımsız salt ölçü unsurları mutlak bir gereksinimdir.

Ölçme

Sosyal ağların ve diğer iletişim unsurlarının yaygınlaştığı günümüzde dünyamız artık herkesin rahatlıkla birbiriyle temasa geçip sosyal, bilimsel ve ticari yönden birçok hususta ortak paydalar oluşturabileceği küçük bir köy durumuna gelmiştir. Bu noktada özellikle kullanılan bilimsel dilin herkes için aynı şekilde algılanması gerekliliği aşikârdır

Fizik biliminde, genel olarak bilinmeyen bir büyüklüğün bir ölçü aleti kullanılarak veya bilinen bir nicelikle karşılaştırılarak değerlendirilmesi süreci ölçme olarak adlandırılmaktadır.

Günlük hayatta karşılaşılan durumların, herkesin hemfikir olduğu ortak bir dille anlatılabilmesi için ölçme sistemlerinden yararlanılması gerekmektedir. Ölçme sonuçları farklı birim sistemleri kullanılarak farklı şekillerde ifade edilebilir.

Mevcut birim sistemleri içerisinde en yaygın biçimde kabul göreni “The International System of Units” (SI) ya da Türkçe ifadesiyle Uluslararası Birimler Sistemi’dir. Bu sistemde;

• Uzunluk, metre (m)
• Kütle, kilogram (kg)
• Zaman, saniye (s)
• Elektrik akım şiddeti, amper (A)
• Termodinamik sıcaklık, kelvin (K)
• Madde miktarı, mole (mol)
• Işık şiddeti, kandela (Cd)

şeklinde ifade edilebilecek yedi temel büyüklük bulunmaktadır.

Düzlem açı, uzay açı gibi yardımcı büyüklükler yanında, hız, ivme, kuvvet vb. büyüklükler ise türetilmiş büyüklükler olarak adlandırılmaktadır. Öncelikle yukarıda verilen yedi temel büyüklük içerisinde özel bir yeri olan ve fiziğin mekanik alanındaki üç temel büyüklüğü olarak bilinen kütle, zaman ve uzunluktan kısaca bahsedelim.

SI, birim sisteminde kütle birimi olan kilogramı temsil eden ve bugün Fransa’nın Sevres kentinde bulunan özel bir platiniridyum silindir alaşımının kütlesidir. Bu alaşım oldukça kararlı bir yapıya sahiptir. Dolayısıyla değişikliğe uğraması zor bir alaşım olup bugünkü modern kilogramı temsil etmektedir. Zaman birimi olan saniye ise sezyum atomunun kendine has karakteristik frekansları üzerinden belirlenmiştir.

Oldukça kararlı bir yapı gösteren bu yöntemde sapmalar yok denecek kadar azdır. Yine SI birim sisteminde uzunluk ölçü birimi olan metre ise ışığın boşlukta aldığı yol üzerinden tanımlanmıştır.

Bilimsel bir metinde geçen sayısal ifadelerin kolay bir biçimde takip edilebilir ve anlaşılabilir olması herkesin arzusudur. Bu ve buna benzer gerekçelerle fizik ve matematik gibi bilimin birçok alanında çok büyük ve çok küçük sayıları yazarken ifade biçimini kolaylaştırmak adına üskatlar ve askatlar kullanılmaktadır. Örneğin 0,00000 1m yazmak yerine 1 µm yazmak açıkça çok daha basit ve uygun bir ifade biçimi olacaktır.

İki Boyutta Kartezyen Koordinat Sistemi

Günlük yaşantımızda hiç şüphesiz bizler de bazı kimselere bir yerlerin konumunu tarif etmek durumunda kalmışızdır. Ne var ki herkesin bir noktayı tarif biçimi bilgi, kültür ve ifade düzeyine göre farklılık arz edecektir.

Birimlerde bir standardın yakalanması ve ortak bir ifade biçiminin zorunluluğu ne kadar gerekliyse günümüzün modern dünyasında da gezegenler ve farklı türden gök cisimlerinden atom ve moleküllere kadar yer ve konum belirlerken standart yaklaşımların söz konusu olduğu ortak ifade biçimlerine ihtiyaç vardır. Bu noktada koordinat sistemleri devreye girmektedir.

Koordinat sistemleri genel manada canlı veya cansız, büyük ya da küçük belirli nesnelerin konumunu tarif etmek amacıyla kullanılmaktadır. Bu sistemlerde belirli bir nokta referans olarak seçilir.

Sistem üzerinde herhangi bir nokta referans olarak alınabileceği gibi çoğu zaman bu nokta sıfır noktası olup, orijin olarak adlandırılmaktadır. Farklı koordinat sistemleri mevcut olmakla birlikte kartezyen koordinat sistemleri yaygın kullanım şekilleriyle ön plana çıkmaktadır.

Farklı koordinat sistemleri mevcut olmakla birlikte kartezyen koordinat sistemleri yaygın kullanım şekilleriyle ön plana çıkmaktadır.

Eksenlerin kesiştiği nokta orijin olarak adlandırılır ve O (0;0) olarak gösterilir. Burada orijinin x ve y bileşenlerinin sıfır olduğu anlaşılmaktadır.

Orijinin sol tarafı negatif x eksenini, sağ tarafı ise pozitif x eksenini göstermektedir. Benzer şekilde orijinin üstü pozitif y eksenini, altı ise negatif y eksenini göstermektedir.

Bir dik üçgende; iki dik kenar (a ve b) ve iki dar açı (? ve ß) bulunmaktadır. Dik üçgenin en uzun kenarı (c) hipotenüs adını almaktadır.

Adından da anlaşılacağı üzere bir dik üçgende hipotenüsü gören 90°’lik bir açı da mevcuttur. Genel ifade ediliş şekliyle ? açısı a kenarını, ß açısı b kenarını, 90°’lik açı ise c kenarını yani hipotenüsü görmektedir.

Birbirlerini 90°’ye tamamlayan açıların sinüs ve kosinüs değerleri birbirine eşittir. Örneğin, sin10=cos80 ya da sin20=cos70 gibi.

Skaler ve Vektörel Büyüklükler

Fizikte büyüklük kavramı iki ana başlık altında incelenebilir. Bunlar skaler ve vektörel büyüklüklerdir.

Skaler büyüklükler için ilgili kavramın şiddeti söz konusudur. Bir sayıya ilaveten bir de birimle tam olarak ifade edilir. Örneğin saat kaç sorusuna muhatap olduğunuzda direkt olarak saatinize bakıp gördüğünüz değeri söylemeniz, örneğin saat 15.30 demeniz yeterlidir. Kimse size hangi yönde 15.30 diye sormaz.

Vektörel büyüklükler için ise ilgili kavramın şiddetinin yanı sıra doğrultu ve yön kavramı da söz konusudur. Örneğin kuvvet vektörel bir büyüklüktür. 100 N’luk bir kuvvetin etkisini tam olarak bilmek istiyorsanız doğrultu ve yönünü de bilmek zorundasınız.

Hangi doğrultuda ve hangi yönde hareket ettiğini de belirtmek gerekir. Örneğin şu elimde tuttuğum cismin kütlesi 2 kg dediğinizde yine kimse size hangi yönde 2 kg diye sormaz. Dolayısıyla kütle skaler bir büyüklüktür. Yani yön belirtmeden de onu tanımlamak mümkündür.

Vektörel kavramlar için özel gösterimler söz konudur. Vektörlerin en genel gösterim şekli üzerinde bir ok ile ifade edilmesidir. Örneğin söz konusu bir kuvvet vektörü ise F › ile, hız vektörü ise v › ile, ivme vektörü ise a › ile göstermek gereklidir.

Bir vektörün şiddeti ise ilgili ifadenin sağına ve soluna dik çizgiler konularak ifade edilmektedir. Bu durum vektörün mutlak değeri olarak da adlandırılır. Örneğin kuvvet vektörünün şiddeti |F › |, hız vektörünün şiddeti |v ›| ile ifade edilmektedir. Şiddet veya mutlak değer denilince anlaşılması gereken yön değil ilgili sayısal değerdir.

Bir vektörü herhangi bir skalerle yani bir rakam ya da sayı ile çarparken dikkat edilmesi gereken tek nokta ilgili rakamın veya sayının işaretidir. Örneğin kuzey yönünde 100 N’luk bir kuvvet vektörünü düşünelim. Bu vektörü 2 ile çarpmak kuvvetin aynı yönde (kuzey) 200 N olacağı anlamını taşır. -2 ile çarparsanız kuvvetin şiddeti yine 200 N’ dur fakat artık yönü tam tersi istikamet olan güney olmuştur.

Bir vektörün şiddeti pozitif bir rakam veya sayıdır. Negatif değer almaz.

Bir vektörü -1 ile çarpmak ya da işaretini değiştirmek, o vektörün yönünü değiştirmek anlamına gelmektedir.

Kinematik

Kinematik bir hareketlinin, hareketine dair mevcut durumunu tanımlarken kullanılan yer değiştirme, alınan yol, zaman, hız ve ivme gibi büyüklükler arasındaki mevcut bağıntıları ele almakta ve incelemektedir. Dolayısıyla verilen bir koordinat sisteminde ilgili kinematik denklemler kullanılarak hareketli hakkında bilgi elde etmek mümkündür.

Alınan yol ve yer değiştirme sıklıkla karıştırılan iki büyüklük arasında yer almaktadır. Oysa durum oldukça basittir.

Evden sabah çıkıp okula giden ve nihayet dersleri bitince eve dönen bir öğrenci hiç şüphesiz belirli bir yol almıştır. Fakat öğrenci okul bitiminde eve döndüğü için toplam yer değiştirmesi sıfırdır. Çünkü başladığı noktaya yani eve geri dönmüştür.

Bir canlı veya bir nesne günün sonunda başladığı yere geri dönüyorsa yer değiştirmesi sıfırdır. Fakat bu durumda alınan yol sıfırdan farklı bir değerdir. Alınan yol skaler, yer değiştirme vektörel bir büyüklüktür.

Hız ve sürat genellikle bir arada, aynı manayı içerir şekilde kullanılan iki kavram olmalarına karşın birbirinden farklıdır. Hızın şiddeti sürat olarak karşımıza çıkar.

SI birim sisteminde her ikisi de m/s ile ifade edilir. Buna karşın hız vektörel, sürat ise skaler bir büyüklüktür. Buna bağlı olarak yazılması gereken ortalama hız ve ortalama sürat denklemleri farklılıklar içermektedir.

Bir boyutta hız kavramını ifade ederken işaretlere özellikle dikkat edilmesi gerekmektedir. Örneğin x ekseninde hareket eden iki araç için hız ifadeleri +20 m/s ve -10 m/s olarak verilmiş olsun. Biz burada verilmiş olan + ve – işaretlerinden araçların birbirlerine göre zıt yönlerde hareket ettiklerini anlarız.

İvme bir hareketlinin hızındaki değişimin şiddetinin bir ölçüsüdür. Yani hızdaki değişim ne kadar kısa sürede meydana geliyor ise ivme de o denli yüksek değerlere sahip olur.

İvme vektörel bir büyüklüktür. Bununla beraber “a” harfi ile gösterilmekte olup SI sisteminde birimi m/s2 ile temsil edilir. Genel olarak ivme denilince ortalama ivme anlaşılır.

Düzgün Doğrusal Hareket

Bir cisim düz bir yol boyunca eşit zaman dilimlerinde eşit miktarlarda yol alıyor ise bu cisim düzgün doğrusal hareket ediyor, denilir. Bu şekilde tanımlanan bir hareket için hız sabittir. Hızı sabit olan yani değişmeyen bir hareket için ise ivme sıfırdır.

Düzgün doğrusal harekette herhangi bir t anı için hız değeri yani anlık hız, ortalama hız ile aynı büyüklüktedir.

Düzgün Değişen Doğrusal Hareket

Bir doğru boyunca hareket eden bir aracın hızı eşit zaman aralıklarında eşit miktarlarda artış gösteriyorsa bu araç için düzgün değişen doğrusal hareket ediyor, denilir.