Fizik Bilimine Giriş

Fizik, madde ile enerji arasındaki etkileşimi ve evrendeki olayları inceleyen bilim dalıdır. Her gün kullandığımız teknolojilerin temelinde fizik ilkeleri yatar. Bilimsel bilgiye ulaşmak için gözlem, deney ve akıl yürütme gibi yöntemler kullanılır.

Fizikte iki tür gözlem yapılır: Duyu organlarıyla yapılan nitel gözlem ve ölçüm aletleriyle yapılan nicel gözlem. Bilim insanları deneyler yaparken üç tür değişken belirler: Değiştirilen bağımsız değişken, gözlenen bağımlı değişken ve sabit tutulan kontrol değişkeni.

Fizik biliminde kullanılan büyüklükler iki gruba ayrılır. Skaler büyüklükler sadece sayı ve birim ile ifade edilir (örneğin kütle, sıcaklık, enerji). Vektörel büyüklükler ise sayı, birim ve yön ile ifade edilir (örneğin hız, kuvvet, yer değiştirme).

Bunu biliyor musun? Bilimsel bilgiye ulaşmanın tek bir yolu yoktur. Hayal gücü, gözlem ve deneyler, bilim insanlarının kullandığı farklı yöntemlerdir.

Fizikte yedi temel büyüklük vardır: Uzunluk (metre), kütle (kilogram), zaman (saniye), sıcaklık (kelvin), akım şiddeti (amper), ışık şiddeti (candela) ve madde miktarı (mol). Bunlardan türetilen büyüklüklere örnek olarak kuvvet (newton), hız $metre/saniye$ ve enerji (joule) verilebilir.

Ölçme, bir büyüklüğü kendi cinsinden birimlerle karşılaştırmaktır. Ölçümlerde hata olabilir ve bu hatalar ölçüm aleti, ölçme yöntemi, ölçüm yapan kişi veya ortamdan kaynaklanabilir.

Madde ve Özellikleri

Uzayda yer kaplayan, kütlesi ve hacmi olan her şeye madde denir. Madde atomlardan oluşur, tanecikli bir yapıya sahiptir ve şekil aldığında cisim adını alır. Katı, sıvı, gaz ve plazma olmak üzere dört hali vardır.

Kütle, madde miktarıdır ve kilogram ile ölçülür. Kütle değişmez ve eşit kollu terazi ile ölçülür. Ağırlıkla karıştırılmamalıdır; ağırlık bulunulan yere göre değişir ama kütle değişmez.

Hacim, maddenin uzayda kapladığı yerdir ve m³ birimi ile ölçülür. Düzgün geometrik şekilli katıların hacmi formüllerle hesaplanırken, düzgün olmayan katıların hacmi taşan sıvı miktarıyla ölçülür. Sıvıların hacmi ise dereceli kaplarla belirlenir.

Maddenin ayırt edici özelliklerinden biri olan öz kütle, maddenin birim hacminin kütlesidir $d = m/V$. Aynı hacimli cisimlerin kütlelerinin farklı olmasının nedeni öz kütlelerinin farklı olmasıdır.

İlginç bilgi: Katılar eridiğinde, hacim değişimi "Galileo'nun kare-küp kanunu" ile açıklanır. Büyütülen katıların alanı büyütme oranının karesi, hacmi ise küpü kadar artar.

Katılar belirli şekil ve hacimleri olan, tanecikleri sadece titreşim hareketi yapan maddelerdir. Sıvılar belirli hacimleri olan ama kabın şeklini alan akışkanlardır. Gazlar ise belirli şekil ve hacimleri olmayan, kabın hacim ve şeklini alan maddelerdir.

Plazma, gazların iyonlaşmış halidir. Güneş, yıldızlar, şimşek ve neon lambası plazma örneklerindendir. Elektrik ve ısıyı iletir, elektrik ve manyetik alandan etkilenir.

Kaldırma Kuvveti

Akışkanların, içine kısmen veya tamamen batan cisimlere uyguladığı itme kuvvetine kaldırma kuvveti denir. Bu kuvvet cismin yüzeylerine etki eden basınç kuvvetlerinin bileşkesidir.

Arşimet İlkesi'ne göre, sıvının bir cisme uyguladığı kaldırma kuvvetinin büyüklüğü, yeri değişen sıvının ağırlığına eşittir. Kaldırma kuvveti, cismin batan kısmının hacim merkezine etki eder ve şu formülle hesaplanır:

FK = Vb × ds × g

Burada FK kaldırma kuvveti, Vb cismin batan kısmının hacmi, ds sıvının öz kütlesi, g ise yer çekimi ivmesidir.

Bilmekte fayda var: Deniz veya havuzda yüzerken kaldırma kuvvetini hissederiz. Bu yüzden suda kendimizi daha hafif hissederiz.

Cisimler sıvı içinde üç farklı konumda bulunabilir:

• Yüzme: Kaldırma kuvveti cismin ağırlığına eşittir $FK = G$ ve cismin öz kütlesi sıvının öz kütlesinden küçüktür (dc < ds).
• Askıda kalma: Kaldırma kuvveti cismin ağırlığına eşittir $FK = G$ ve cisim ile sıvının öz kütleleri eşittir $dc = ds$.
• Batma: Kaldırma kuvveti cismin ağırlığından küçüktür (FK < G) ve cismin öz kütlesi sıvının öz kütlesinden büyüktür (dc > ds).

Taşırma kabında, cisim hangi konumda olursa olsun taşan sıvının ağırlığı kaldırma kuvvetine eşittir. Taşan sıvının hacmi ise cismin sıvıya batan kısmının hacmine eşittir.

Gazlar da sıvılar gibi cisimlere kaldırma kuvveti uygular. Bu nedenle gazlar içinde de cisimler yüzebilir. Sıcak hava balonları bunun en güzel örneklerindendir.

Basınç

Basınç, birim yüzeye etki eden dik kuvvettir. Formülü P = F/S şeklinde gösterilir ve birimi pascal (Pa) veya N/m²'dir. Katılar, sıvılar ve gazlar basınç uygulayabilir.

Katılarda basınç, ağırlık ve temas yüzey alanına bağlıdır. Basınç, yüzey alanı ile ters orantılıdır; aynı kuvvetle daha küçük alana daha fazla basınç uygulanır. Bu nedenle çiviler, iğneler veya bıçaklar sivri uçludur.

Sıvılarda basınç, sıvının yüksekliği, öz kütlesi ve yer çekimi ivmesine bağlıdır $P = h·d·g$. Sıvı basıncı, kabın şekline ve sıvı miktarına bağlı değildir. Aynı cins sıvı için yükseklik seviyesi, kabın şekline bağlı olmadan her yerde aynı olur.

Günlük yaşamdan örnek: Barajların alt kısımları üst kısımlarına göre daha kalın yapılır, çünkü su derinleştikçe basınç artar.

Pascal Prensibi der ki: Sıvılar üzerlerine uygulanan basıncı her noktaya aynı büyüklükte iletirler. Bu prensip hidrolik sistemlerde kullanılır. Örneğin, arabalardaki fren sistemleri ve krikolar bu prensibe göre çalışır.

Atmosfer basıncı (P₀), atmosferdeki gazların hem ağırlığından hem de taneciklerinin çarpmalarından dolayı oluşur. Barometre ile ölçülür ve deniz seviyesinde yaklaşık 1 atm veya 76 cm Hg'dir. Yükseklere çıkıldıkça azalır.

Gazlarda basınç, gazın miktarı ve sıcaklığı ile doğru, hacmi ile ters orantılıdır. Gazlar bulundukları kabın her tarafına aynı basıncı uygular. Kapalı kaplarda gaz basıncı manometre ile ölçülür.

Isı ve Sıcaklık

Isı, bir enerji türüdür ve birimi joule (J) veya kalori (cal) ile gösterilir $1 cal = 4,18 J$. Isı miktarı kalorimetre kabı ile ölçülür. Sıcaklık ise maddelerin taneciklerinin ortalama kinetik enerjisinin bir göstergesidir ve birimi kelvin (K)'dir.

Sıcaklık ölçmek için çeşitli termometreler kullanılır:

• Sıvılı termometreler: Cıvalı, alkollü termometreler
• Gazlı termometreler: Hassas ölçüm yapar
• Metal termometreler: Yüksek sıcaklıkları ölçer
• Pirometreler: Temassız ölçüm yapar

Bilmekte fayda var: Fahrenheit termometresi, Celsius ve Kelvin termometresine göre daha hassas ölçüm yapar çünkü 100 derecelik aralığı 180 bölmeye ayırır.

Madde ısı aldığında genleşir, ısı verdiğinde büzülür. Katılarda genleşme boyca, yüzeyce ve hacimce olabilir. Sıvılar sadece hacimce genleşir. Su diğer sıvılardan farklı olarak 0°C ile 4°C arasında ısınırken büzülür, 4°C'den sonra normal şekilde genleşir. Gazlar da hacimce genleşir, ancak genleşmeleri gazın cinsine bağlı değildir.

Hal değişimi sırasında madde dışarıdan ısı alır veya dışarıya ısı verir. Hal değişim türleri şunlardır:

• Erime: Katının sıvıya dönüşmesi
• Donma: Sıvının katıya dönüşmesi
• Kaynama: Sıvının gaza dönüşmesi
• Yoğunlaşma: Gazın sıvıya dönüşmesi
• Süblimleşme: Katının doğrudan gaza dönüşmesi
• Kırağılaşma: Gazın doğrudan katıya dönüşmesi

Öz ısı (c), maddeye özgü bir özelliktir. 1 gram maddenin sıcaklığını 1°C artırmak için gerekli ısı miktarıdır. m kütleli bir madde için alınan veya verilen ısı Q = m·c·ΔT formülü ile hesaplanır.

Kuvvet ve Hareket

Hareket, bir cismin seçilen referans noktasına göre konumunu değiştirmesidir. Çevremizdeki cisimler öteleme, dönme ve titreşim hareketleri yaparlar. Yörüngesine göre doğrusal veya çembersel hareket olarak sınıflandırılabilirler.

Hareketle ilgili temel kavramlar şunlardır:

• Konum: Cismin bulunduğu yer
• Yer değiştirme: Son konum ile ilk konum arasındaki en kısa mesafe
• Hız: Yer değiştirmenin zamana oranı $v = Δx/Δt$
• Sürat: Alınan yolun zamana oranı
• İvme: Hız değişiminin zamana oranı $a = Δv/Δt$

Günlük yaşamdan örnek: Araba kullanırken kilometre saati sürati gösterir, yani ne kadar yolu ne kadar zamanda aldığınızı.

Newton'un Hareket Yasaları fiziğin temel prensiplerini açıklar:

1. Eylemsizlik Yasası: Bir cisme net kuvvet etki etmiyorsa, cisim duruyorsa durmaya, hareket ediyorsa sabit hızla hareket etmeye devam eder.
2. Temel Hareket Yasası: Cisme etki eden net kuvvet, cismin kütlesi ile ivmesinin çarpımına eşittir $F = m·a$.
3. Etki-Tepki Yasası: Her etkiye karşı büyüklükçe eşit, yönce zıt bir tepki vardır.

Sürtünme kuvveti, harekete zıt yönde etki eder. Yüzeye etki eden toplam dik kuvvete ve yüzeyin cinsine bağlıdır, yüzey alanına bağlı değildir.

Basit makineler, uygulanan kuvvetin yönünü ve büyüklüğünü değiştirerek iş kolaylığı sağlar. Hiçbir basit makinede işten kazanç yoktur. Başlıca basit makineler:

• Kaldıraçlar: Kuvvet ve yük kolları arasındaki ilişki ile çalışır
• Makaralar: Sabit ve hareketli çeşitleri vardır
• Eğik düzlem: Kuvvetten kazanç sağlar
• Çıkrık, vida, dişliler ve kasnaklar