Fizik Bilimi

Fizik, doğadaki olayları kuvvet, enerji, uzay ve zaman çerçevesinde matematiksel hesaplamalarla inceleyen bir bilim dalıdır. Gözlem ve deneye dayalıdır ve evrendeki en küçük parçacıklardan en büyük gök cisimlerine kadar her şeyi kapsar.

Fizik bilimi, diğer bilim dallarına da önemli katkılar sağlar. Örneğin biyoloji, kulağın nasıl işlediğini anlamak için fizik bilgilerinden yararlanır. Coğrafya ise deprem dalgalarını açıklamak için fizikten faydalanır. Ayrıca haberleşmeden tıp alanına kadar birçok teknolojik araç, fizik bilgilerine dayanır.

Dikkat: Türkiye'den uzaya çıkan ilk astronot Alper Gezeravcı'dır. Bir astronotun yetişmesinde ve uzay seyahatinin gerçekleşmesinde fizik biliminin çok önemli katkıları vardır.

Fizik biliminin elde ettiği bilgiler zamanla artınca, bu bilgiler belirli başlıklar altında toplanmıştır. Bu başlıklara fiziğin alt dalları denir. Bunlar: mekanik, elektromanyetizma, termodinamik, optik, katıhâl fiziği, atom fiziği, nükleer fizik ile yüksek enerji ve plazma fiziğidir.

Mekanik ve Elektromanyetizma

Mekanik

Mekanik, kuvvetin madde üzerindeki etkisini, cisimlerin denge ve hareket durumlarını inceler. Basit makinelerden Formula 1 araçlarına kadar çalışma alanı oldukça geniştir. Mekanik, dengede olan cisimleri statik, hareket eden cisimleri ise dinamik adı verilen bölümlerde inceler. Günümüzdeki inşaat sektörünün gelişmesinde bu alt dalın katkısı büyüktür.

Elektromanyetizma

Elektromanyetizma, elektrik ve manyetizma alanlarının ilgilendiği bütün konuları kapsamı içine alır ve inceler. Basit bir pusuladan uydulara kadar elektrik ve manyetik alan içeren her konu ve cihaz, elektromanyetizmanın çalışma alanıdır. Günümüzde elektrik enerjisinin en çok kullanılan enerji türü haline gelmesiyle bu alt dalın önemi artmıştır.

Biliyor musun? Elektrikli otomobillerin yaygınlaşmasında elektromanyetizma alt dalının çok önemli katkısı vardır.

Fiziğin alt dallarından her biri günlük hayatımızda kullandığımız teknolojilerin geliştirilmesine büyük katkı sağlamıştır. Bu sayede fizik bilimi yaşantımızı kolaylaştıran birçok yeniliğin temelini oluşturur.

Fizik Bilimine Yön Verenler

Fizik biliminin bugünkü seviyesine ulaşmasında birçok bilim insanının katkısı vardır. Bu bilim insanlarının çalışmalarını anlamak için yaşadıkları dönemin şartlarını ve düşünce yapılarını da göz önünde bulundurmak gerekir.

İbnulheysem (965)

Basra'da doğmuş ve optik biliminin ilk kurucusu olarak kabul edilir. Karanlık oda ile görüntüleri bir perde üzerine düşürmüş ve fotoğraf makinelerine ilham kaynağı olmuştur. Titiz ve özenli deney yöntemleri nedeniyle "dünyanın ilk gerçek bilim adamı" olarak anılır.

Hazini (12. yüzyıl)

Maddelerin yoğunluklarının ölçülmesi konusunda çalışmalar yapmıştır. Geliştirdiği terazi, günümüzde kullanılan hassas terazilerin ilk örneğidir. "Terazinin doğruluğu, fizik gözlemlerine ve ispatlara dayanır" sözüyle bilimsel bakış açısını ortaya koymuştur.

Galileo Galilei (1564-1642)

İtalya'da doğdu ve kendi yaptığı teleskobu ile astronomi bilimine çok önemli katkılarda bulundu. Keşfettiği eylemsizlik yasası ile Newton'ın çalışmalarına yön verdi. Newton'ın "Daha ileriyi görebildiysem bunu omuzlarından baktığım devlere borçluyum" ifadesinde kastettiği devlerden biri Galileo'dur.

Bilim insanları çevrelerinde gerçekleşen olaylara farklı bir gözle bakarak, onlardan bilimsel sonuçlar ve kanunlar çıkarabilirler. Bu yüzden fizik bilimini anlamak için ona katkı sağlayan bilim insanlarının tüm yönleriyle incelenmesi önemlidir.

Fizik Bilimi ile İlgili Kariyer Keşfi

Bilimsel gelişmelerin günlük hayata kazandırılması için oluşturulan kuruluşlara Bilim Araştırma Merkezi denir. Bu merkezlerde bilim insanları; bilgi ve tecrübelerini paylaşarak, ortak deneyler yaparak ve insan hayatını kolaylaştırmak için çalışırlar.

TÜBİTAK

Türkiye Bilimsel ve Teknolojik Araştırma Kurumu, 1963 yılında fen bilimlerindeki araştırmaları desteklemek ve araştırmacıları teşvik etmek amacıyla kurulmuştur. Başlangıçta temel bilimler, tıp, tarım ve hayvancılık alanlarında çalışmalar yapan kurum, bugün 10 farklı araştırma grubuyla faaliyet gösteriyor. Araç kontrol ekranı, sualtı araç sistemleri, batarya elektrodu, milli güneş enerjisi santral teknolojisi gibi birçok projeyi başarıyla yürütmektedir.

TENMAK

Türkiye Enerji, Nükleer ve Maden Araştırma Kurumu, enerji, maden, iyonlaştırıcı radyasyon, parçacık hızlandırıcıları ve nükleer teknoloji alanlarında çalışmalar yapıyor. Faaliyet alanları kapsamında yeni ürünler üretmek ve var olanları geliştirmek başlıca görevidir.

MTA

Maden Tetkik Arama, Türkiye'de yer bilimleri ve madencilik alanında arama, araştırma ve analizler yapar. Maden ve enerji arama faaliyetleri, jeoloji ve jeofizik çalışmaları, deniz araştırmaları MTA'nın çalışma konularıdır. Doğal afet risklerini belirlemeye yönelik veriler elde eder ve alternatif maden sahaları araştırır.

Ülkemizdeki bilim araştırma merkezleri, fizik biliminin uygulamalarına büyük katkı sağlayarak teknolojik gelişmemizde önemli rol oynamaktadır.

Temel ve Türetilmiş Nicelikler

Fizik bilimi gözleme dayalı bir bilim dalıdır ve gözlemler sırasında ölçümler yapılır. Fiziksel nicelikleri doğru ölçmek, bilimsel bilginin doğruluğu için çok önemlidir.

Varlık, nesne, olay ya da durumların sayılabilen ya da ölçülebilen özelliklerine fiziksel nicelik denir. Zaman, kütle, sıcaklık, uzunluk, hız, kuvvet, enerji ve basınç bazı fiziksel niceliklerdir.

Ölçme işleminde aynı cinsten büyüklükler karşılaştırılır:

• Metal metre kullanılarak odanın genişliği ölçülür
• Metal ağırlıklar ve terazi kullanılarak cisimlerin kütleleri ölçülür

Yapılan ölçümlerin herkes tarafından anlaşılabilmesi için standart birimler kullanılır. Kilogram, metre ve saniye bu standart birimlere örnektir. Örneğin "odanın genişliği 4 metre" dendiğinde, odanın genişliğinin standart 1 metrenin 4 katı olduğu anlaşılır.

Not: Bir saç telinin kalınlığı ile iki şehir arasındaki uzaklık ölçülürken aynı ölçüm aletleri ve yöntemler kullanılmaz. Her ölçüm için uygun aletler seçilmelidir.

Fiziksel nicelikler temel ve türetilmiş olarak ikiye ayrılır. Temel nicelikler (kütle, uzunluk, zaman gibi) doğrudan ölçülebilirken, türetilmiş nicelikler (hız, basınç, enerji gibi) temel nicelikler kullanılarak hesaplanır.

Skaler ve Vektörel Nicelikler

Fiziksel nicelikler ölçülme yöntemlerine göre skaler ve vektörel olarak sınıflandırılır.

Skaler Nicelikler: Sadece bir sayı ve birimle tam olarak ifade edilebilen niceliklerdir. Örneğin kütle, sıcaklık ve zaman skaler niceliklerdir. "Hava sıcaklığı 25°C" dediğimizde, sıcaklığı tam olarak ifade etmiş oluruz.

Vektörel Nicelikler: Sayı ve birim yanında yön bilgisiyle ifade edilen niceliklerdir. Hız, ivme ve kuvvet vektörel niceliklerdir. Örneğin "araba 60 km/saat hızla doğuya doğru gidiyor" dediğimizde hızı tam olarak ifade ederiz.

Vektörel niceliklerde:

• Doğrultu: Vektörün üzerinde bulunduğu doğrudur
• Yön: Vektörün hangi tarafa doğru olduğunu belirtir
• Büyüklük: Vektörel niceliğin sayısal değeridir

Vektörel nicelikler ok işareti (→) ile gösterilir. Örneğin kuvvet vektörü F̅, hız vektörü v̅ ile gösterilir.

Hatırlatma: Vektörel büyüklüklerle ilgili hesaplamalar yapabilmek için vektörler ile ilgili işlemleri bilmek gerekir. Bu, fizikte doğru sonuçlara ulaşmak için önemlidir.

Vektörlerin toplamı ve bir vektörün skaler bir sayı ile çarpımı gibi işlemler, vektörel niceliklerle çalışırken sıkça kullanılır. Bu işlemler fiziksel olayları doğru bir şekilde analiz etmemize yardımcı olur.

Doğadaki Temel Kuvvetler

Doğa ve evrende gerçekleşen tüm olaylar dört temel kuvvetin etkisiyle meydana gelir. Bu kuvvetler; güçlü nükleer kuvvet, zayıf nükleer kuvvet, elektromanyetik kuvvet ve kütle çekim kuvvetidir.

Güçlü Nükleer Kuvvet

Atom çekirdeğindeki proton ve nötronların bir arada durmasını sağlayan kuvvettir. Etki mesafesi atom çekirdeği ile sınırlıdır $10^-14 m$. Diğer kuvvetlerle karşılaştırıldığında en büyük kuvvettir.

Zayıf Nükleer Kuvvet

Kararsız hâldeki atom çekirdeklerinin daha kararlı hâle geçmesi için gerekli çekirdek tepkimelerinin gerçekleşmesini sağlar. Etki mesafesi atom çekirdeği ile sınırlıdır. Güçlü nükleer kuvvetin milyarda biri kadar büyüklüktedir.

İlginç Bilgi: Zayıf nükleer kuvvet olmasaydı, Güneş'in enerjisini sağladığı füzyon tepkimesi ve birçok radyoaktif bozunma tepkimesi gerçekleşmezdi.

Elektromanyetik Kuvvet

Elektrik yüklerinin ve mıknatısların birbirlerine uyguladıkları itme veya çekme kuvvetleridir. Aynı cins yükler arasında itme, farklı cins yükler arasında çekme şeklinde gözlenir. Mıknatısların aynı kutupları arasında itme, farklı kutupları arasında çekme oluşur. Elektromanyetik kuvvetin etki alanı sonsuzdur.

Kütle Çekim Kuvveti

Tüm varlıkların kütlelerinden dolayı birbirlerine uyguladıkları çekim kuvvetidir. En zayıf temel kuvvettir, etki alanı sonsuzdur ve etkisi yalnızca çekme şeklinde gözlenir. Yıldız ve gezegenlerin hareket ve konumlarında etkilidir.

Hareket ve Referans Noktası

Referans Noktası

Bir cismin yeri tarif edilirken kullanılan ve keyfi olarak seçilen başlangıç noktasına referans noktası denir. Örneğin, beyaz bir arabayı tarif ederken "garaj kapısının önündeki araba" dediğimizde garaj kapısı referans noktası olur. Aynı arabayı "gri pikap arabanın solundaki beyaz araba" şeklinde de tarif edebiliriz, bu durumda gri pikap araba referans noktası olur.

Konum

Bir noktanın ya da cismin, seçilen referans noktasına olan yönlü uzaklığına konum denir. Konum vektörel bir büyüklüktür ve sembolü x̅ şeklindedir. SI'daki birimi metredir (m). Konum vektörü, referans noktasından cismin bulunduğu noktaya çizilen bir ok ile gösterilir.

Unutma: Referans noktası seçimine bağlı olarak bir cismin konumu farklı şekillerde ifade edilebilir. Bu nedenle, konum vektörünü belirtirken referans noktasını da açıkça belirtmek önemlidir.

Hareket eden bir cismin konumu zamanla değişir. Bu değişimi inceleyerek cismin hızı, ivmesi ve aldığı yol gibi bilgilere ulaşabiliriz. Fizik biliminde hareketin incelenmesi, doğadaki birçok olayı anlamak için temel oluşturur.

Alınan Yol ve Yer Değiştirme

Alınan Yol

Hareketli bir cismin izlediği yolun uzunluğuna alınan yol denir. Bir cismin hareketinde, cismin geçtiği yolun tümü dikkate alınır. Alınan yol her zaman pozitif ve skaler bir büyüklüktür. Birimi metredir.

Örneğin, evinden okula giderken dolambaçlı bir yol izleyen öğrencinin aldığı yol, o yolun toplam uzunluğudur.

Yer Değiştirme

Hareketli bir cismin başlangıç noktasından son konumuna çizilen doğrusal yolun uzunluğuna yer değiştirme denir. Başlangıç ve bitiş noktaları arasındaki en kısa mesafedir. Yer değiştirme vektörel bir büyüklüktür, yön ve büyüklüğü vardır.

Dikkat: Yer değiştirmenin büyüklüğü alınan yoldan küçük veya ona eşit olabilir, hiçbir zaman alınan yoldan büyük olamaz.

Doğrusal bir hareketli için yer değiştirme, son konum ile ilk konum arasındaki farkla belirlenir: x̅ = x̅son - x̅ilk

Örnekler:

• Düz bir yolda 300 m doğuya, sonra 200 m batıya giden bir kişinin aldığı yol 500 m iken, yer değiştirmesi 100 m doğuyadır.
• Çembersel bir pistte tam bir tur atan bir koşucunun aldığı yol pistin çevresi kadardır, ancak yer değiştirmesi sıfırdır.

Hız ve Sürat

Hız

Hız, birim zamandaki yer değiştirmedir ve vektörel bir büyüklüktür. Sembolü v̅ ile gösterilir. Birimi m/s'dir.

Ortalama Hız: Yer değiştirmenin geçen zamana oranıdır. vort = Δx/Δt = $xson - xilk$/$tson - tilk$

Anlık Hız: Bir hareketlinin herhangi bir andaki hızıdır. Çok küçük bir zaman aralığındaki ortalama hız olarak düşünülebilir.

Sürat

Sürat, birim zamanda alınan yoldur ve skaler bir büyüklüktür. Sembolü |v| ile gösterilir. Birimi m/s'dir.

Ortalama Sürat: Alınan toplam yolun geçen toplam zamana oranıdır. |vort| = Toplam yol/Toplam zaman

Unutma: Doğrusal harekette cisim hep aynı yönde hareket ederse, hızın büyüklüğü sürate eşittir. Ancak yön değişikliği olan hareketlerde sürat, hız büyüklüğünden farklı olur.

Örneğin, saatte 60 km hızla kuzeye giden bir araç için hem hız hem de sürat 60 km/saat'tir. Ancak bir pistte dönen araç için sürat sabit olabilirken $örneğin 60 km/saat$, hızı sürekli yön değiştirdiği için anlık olarak değişir.

Trafik işaretlerindeki hız limitleri aslında sürat limitleridir, çünkü sadece büyüklük olarak belirtilir.