Newton Fiziği Nedir ve Newton Yasaları

Newton bir gün bir ağacın altında oturuyormuş, ve bir anda kafasına elma düşmüş. Ve düşünmüş ki: Elma düşüyorsa neden Ay düşmüyor? Böyle bir hikayenin olup olmadığı kesin değil fakat bize olayın başını anlatıyor ve güzel bir başlangıç noktası veriyor.

Newton’dan Önce Fizik

Newton’dan önce pek bir fizik göremeyiz, bunun nedeni fizikçilerin Avrupa’da pek sevilmemesidir. Fakat biri var ki ileri ki keşiflere yol açmıştır: Galileo. Galileo hem fizikte keşifler yapmıştır hem de bilim felsefesini ilerletmiştir.

Mesela Galileo’dan önce; boyutları aynı Metal bir topun tahta bir toptan, aynı yükseklikten aşağı atıldığında daha kısa sürede yere varılacağı düşünülüyordu. Bunun nedeni Aristoteles’ti. Tam olarak bu değildi, zira bunun böyle olmasını o istemezdi; bunun böyle olmasının nedeni insanların sorgusuz sualsiz kabul etmeleriydi.

Mesela sadece bu görüş değil Aristoteles’in birçok görüşü yüzyıllarca kabul edildi. Bunu sorgulayanlardan ilk birkaç kişiden biri de Galileo oldu. Kendisi sorgusuz sualsiz kabul etmedi ve rasyonel bir şekilde bir deney yaptı: Metal ve tahta topu aynı yükseklikten bıraktı ve gördü ki ikisi aynı anda yere iniyor.

Bu da bize açıkladı ki aslında bazı şeyleri direkt kabul etmeyip, yanlış olduklarını göstermek o kadar da zor değildir. Mesela Galileo’nun deneyinde tek yapması gereken şey topları yüksek bir yere koyup, düşme sürelerini doğru düzgün ölçmesiydi. Belki de kimin bilim insanı olup olamayacağı da buradan çıkıyordur: sorgulamak.

Konumuza devam edecek olursak bu tahta ve metal top fenomeninin nedeni ise, metal topa ağır olduğu için daha fazla, tahta topa ise hafif olduğu için daha az yer çekimi etki etmesi. Hacimleri ve şekilleri aynı olduğundan dolayı ikisi de aynı anda düşer.

Matematiksel olarak da gösterebiliriz: Metal topun kütlesine \(2x\), tahta topun kütlesine \(x\) diyelim. Yani metal top, tahta toptan iki kat daha ağır olsun. Tahta topa \(y\) kuvvetinde bir yer çekimi uygulansın. O zaman metal topa da \(2y\) kuvvetinde bir yer çekimi etki eder.

Yere düşme sürelerini hesaplayalım şimdi: metal top için \(2x/2y\) birim zaman; tahta top içinse \(x/y\) birim zaman. Metal topun süresini sadeleştirirsek \(x/y\) birim zaman gelir. Bu da tahta topun süresiyle aynıdır. Matematiksel olarak da gösterdik.

Ayrıca Galileo’nun daha birçok deneyi vardır. Adeta geçmişteki kabul edilen fiziki olaylar için bir sınav olmuştur. Şu an bize bir tanesi daha lazım.

Şimdi herkesin kendine göre bir “çerçeve”si vardır. Herkes dünyaya farklı bir açıdan bakar. Şimdi mesela şuna değinelim: Ahmet boş bir uzayda uzay gemisiyle, Mehmet’in yanında geçiyor. Şimdi Ahmet’in yerine koyalım kendimizi.

Bizim göreceğimiz şey kendimizin ileri gittiği değil, Mehmet’in geriye gittiğidir. Bu şuna benzer: arabayla gidiyorsunuz ve yoldaki bir fırından ekmek alacaksınız. Fakat sonra unutuyorsunuz ve diyorsunuz ki: “Tüh, fırın geride kaldı”. Aslında baktığımızda fırın geride kalmıyor, siz ileri gidiyorsunuz.

Fakat biz o an fırın geride kaldı diye algılıyoruz. Deminki örneğe geri dönecek olursak Ahmet uzayda uzay gemisiyle hareket ederken, kendisinin hareket ettiğini değil de Mehmet’in geriye doğru hareket ettiğini düşünür.

Mehmet’in çerçevesinden veya penceresinden bakacak olursak Mehmet, kendisi hareketsiz görür; ama Ahmet’i ileri doğru gittiğini görür. Hani hareket dediğimiz şey aslında görecelidir.

Bunu neden söyledim çünkü bu bize gerekli olacak. Şöyle: Ahmet yine 30 birim hızla ileri gitsin. Mehmet ise 20 birim hızla geri gitsin. Ahmet Mehmet’ten uzaklaşır, Mehmet’te Ahmet’ten. Ahmet kendi penceresinden, kendisinin durduğunu; Mehmet’in 50 birim hızla geriye gittiğini görür.

Fakat ileride göreceğimiz üzere ışık hızında böyle bir durum olmuyor. Mesela ışık hızına \(c\) diyelim. Ahmet ışık hızına yakın bir hızla uzayda ileri doğru seyahat ediyor yani \(~c\) hızla. Mehmet de aynı hızla geriye doğru seyahat ediyor. O da ışık hızına yakın seyahat ediyor yani \(~c\) hızla.

Şimdi Ahmet’in penceresinden bakalım: Ahmet, kendisinin hareketsiz; Mehmet’in ise \(2c\) hızla geri gittiğini görür. Işık hızından hızlı bir şekilde yani. Aman Allahım! Fizik kuralları çöktü, Özel Göreleliğe göre ışık hızı geçilemez, ama geçtik!

Hayır olmadı öyle bir şey. Ahmet’in penceresinden Mehmet, \(2c\) hızında değil de \(c\) hızında gitti. Maalesef burada hareket göreceli değildir, ışık hızı nereden bakarsanız bakın her zaman ışık hızıdır. Göreceli değildir, evrensel bir uzaklık birimidir sanki.

Burada ileriki bölümler için ufak bir spoiler verdik. Devam edelim. Biraz sonra Newton’a geçeceğiz. Newton’dan önce Avrupa’nın uzaya bakış açısına bakalım. Pek de iyi değildi. Newton zamanında ve biraz öncesinde Dünya’nın Güneş etrafında döndüğü vb. kabul ediliyordu, en azından İngiltere’de.

100 yıl önce iyi değildi ama. Engizizasyon adlı bir mahkeme sözde yargı dağıtıyordu.

Newton ve Buluşları

Newton’un elma problemine geri dönelim: Elma düşüyorsa Ay Neden düşmüyor? Newton bunun yer çekimi gibi bir şeyle alakalı olduğunu düşündü. Ay gibi cisimler de gezegenlerin kütle çekimleri sayesinde duruyordu.

Bunun yanlış olduğu ileride çıkacaktı. Ayrıca Newton’un evrensel kütle çekim yasası vardır. Yani iki cisim arasındaki kütle çekim kuvveti uzaklıklarının karesiyle ters orantılıdır. Bu formülün tamamen doğru olmadığı anlaşıldı.

Mesela Merkür’ün yörüngesini bu yöntemle ölçemiyoruz, ölçsek de hatalı çıkıyor. Bunun nedeni Merkür’ün Güneş’e yakınlığı sebebiyle her yıl daha değişik bir şekilde dolanması.

Newton’un birinci yasası: Eylemsizlik

Neyse devam edecek olursak Newton yasalarına geliriz. İlk olarak birinci yasadan başlayalım. Birinci yasa bize eylemsizlikten söz eder. Ne demek şimdi bu, hemen açıklayalım. Eylemsizliğe göre, cisimler hareketlerini korumaya meyillidirler. Mesela hareket halindeki bir araba hareketini devam ettirmeye meğillidir. Taki sürtünme onu durdurana kadar.

Meyillidir derken de bilinçleri var sanmayın. Doğa yasaları böyle yapıyor bunu. Mesela Paralel Evrenler: Bir Fringe Efsanesi mi Yoksa Gerçek mi? yazımızdaki gibi başka bir evrende Eylemsizlik diye bir şey olmak zorunda değil.

Örnekler verelim, iki tane takım ve ve bu takımlar eşit; bir halat çekme oyunu oynuyorlar. İki takım da eşit olduğu için kimse kazanamıyor. Eğer herhangi bir takıma daha güçlü biri gelmezse oyun sonsuza kadar devam edebilir yani “dengesini koruyabilir”. Fakat dengeyi bozan biri geldiğinde “denge bozulur”.

Aynı şekilde karşı takım ipi bir anda bıraktığında diğer takım yere yığılır. Bunun nedeni de eylemsizliktir. Hemen açıklayalım: Oyuncular vücudunun üstüyle ve elleriyle ipi çekiyorlar. Ayakları ise yere temas ediyor.

Karşı takım ipi bir anda bıraktığında şunlar oluyor: Vücudun üstü dengeyi korumak istiyor fakat ayaklarımız da yere tutunduğundan sabit kalıyorlar. Onlar da kendi dengelerini korumak istiyor. Bunun sonucunda da düşüyürsunuz.

Bir başka örnek daha verelim bir otobüstesiniz ve ayaktasınız. Otobüs kalktıktan sonra ister istemez geriye savrulursunuz bunun neden yine eylemsizliktir. Ayaklarınız otobüs tabanında, elleriniz ise yukarıdaki ipte.

Otobüs hareket etmiyorken elleriniz de hareket etmiyor, sonra otobüs bir anda harekete geçtiğinde elleriniz hareketsizliği korumak istiyor fakat ayaklarınız da otobüsle beraber gittiği için onlar otobüsün hareketine kapılıp gidiyorlar. Elleriniz hareketsizliğini korumak için geriye gidiyor, yani başladığınız yere.

Yani ayaklar yerde kalıyor ama vücudunuz geri gidiyor. Bu yüzden geriye savruluyorsunuz. Aynı şekilde otobüste zıplayıp arka cama yapışmamanız da böyle. Otobüsle birlikte siz de hareket ediyorsunuz, zıpladığınızda da vücudunuz hareketi korumaya çalışıyor.

Asansör de böyle. Zıplayınca garip şeyler olmuyor. Fakat asansörün içine drone koyarsak işler garipleşiyor. Dronu çalıştırdığımızda artık drone resmen serbest oluyor ve o da kendi hareketini korumaya çalışıyor böylece drone yere çakılıyor (Asansörün yukarı çıkmasıyla).

Eylemsizlik fikrini ilk kez tüm yönleriyle düşünen Newton’du. Onun dışında Galileo da ilgilenmişti.

Newton’un İkinci Yasası: \(F=m*a\)

\(F=m*a\) ne demektir? Bunu okuyabiliriz. Mesela diyor ki, bir cisme \(F\) kuvveti uygularsak cisim a kadar hızlanır, yani ivmelenir. Tabi ki de buradan bazı anlamlar çıkabilir. Mesela \(m\) iki katına çıkarsa cismi aynı şekilde hızlandırmak istiyorsanız iki kat kuvvet uygulamalısınız.

Veya kütlesi sabit kalacak şekilde iki kat hızlandırmak istiyorsanız kuvveti \(F\)‘i iki kat arttırırsınız. Yarış arabaları gibi düşünebilirsiniz. Yarış arabasının motorunun gücü diğerinin iki katı olsun. Güçlü olan araba tam gazda diğerinden iki kat daha fazla hızlı gider.

Tabi ki bu formülün ispatı ve geliş noktası da var: momentumun zamana göre türevi. Fakat bunu burada göstermeyeceğim, zaten gerek yok.

Newton’un üçüncü yasası: Etki Tepki

Bir zamanlar bir yerde bir soru görmüştüm: elinizle ayağınıza dokunursanız, elinizde mi bir şey hissedersiniz yoksa ayağınızda mı? Cevap ikisi, neden: etki tepki.

Sert bir şekilde duvara vurduğunuzu düşünün. Duvara bir kuvvet uyguladınız, sadece duvara uygulamakla kalmadınız; elinizi de kırdınız. Peki neden? Evet, eli kendiniz kırmadınız orada şüphe yok. O zaman duvarda bir şey var.

Evet, etki-tepki dediğimiz bir kuvvet çifti var. Siz duvara \(10N\) kuvvet uyguladınız ve duvar da size \(10N\) ile cevap verdi. Size ilginç bir sır da vereyim: kavgada biri size vurup düşürürse üzülmeyin, sağolsun doğa kanunları siz de ona vurmuş oluyorsunuz. Yani elde var sıfır, ödeşmiş oluyorsunuz.

Newton hareket kanunlarını burada bitirdik, şimdi Newton’la alakalı birkaç şeye daha değinmek istiyorum.

Newton ve Kalkülüs

Bugün belki de nefret ettiğiniz türev ve integrali Newton keşfetmiştir. Daha doğrusu aynı dönem başka bir bilim insanıyla habersiz keşfetmiştir. Bir teşekkür edersiniz artık!

İşin şakası kalkülüs, bilimde inanılmaz bir şekilde işimize yarıyor. İlerleyen günlerde bununla ilgili bir şey yapmayı düşünüyorum.

Son Söz

Bu yazı burada bitti. Aynısını Einstein için de yapabilirim. Güzel bir yazı olduğunu düşünüyorum. Olabildiğince herkesin anlayabilmesi için basit yazmaya çalıştım. Bunun yanında da anlamı azaltmamaya çalıştım.

Ayrıca burada anlattığım bazı bilgileri Einstein ile alakalı yazıda kullanacağım. Lütfen bir hatamız varsa bizimle paylaşınız. Ki amacımıza daha iyi hizmet edelim, Şimdilik Hoşçakalın.