PHY1001 · 6. hafta · The Laws of Motion Ch 5, Introduction, Newton’s First Law and Inertial Frames, Newton’s second Law, Force and Mass, Weight, Newton’s Third Law

Newton'un hareket yasaları

Kuvvet, kütle, ağırlık ve Newton'un üç yasası; serbest cisim diyagramı ile her kuvvet sorusunu aynı yöntemle çözmeyi öğrenirsin.

forcenet forceinertiainertial framemassweightnormal forcetensionfree-body diagramaction-reaction pairequilibrium

Bu haftaya kadar hareketi sadece anlattık (kinematik). Newton yasaları ise hareketin nedenini verir: kuvvet (force). Sınavda bu konu iki şekilde çıkar. Ya bir kavram sorusu (“net kuvvet nedir, etki-tepki hangi cisimlere etki eder”) ya da serbest cisim diyagramı çizip ∑F⃗=ma⃗\sum \vec F = m\vec a yazdığın bir hesap sorusu. İkisi de az formülle çok puan getirir.

Altın kurallar:

  1. Her soruda önce serbest cisim diyagramı (free-body diagram). Diyagramsız denklem yazma.
  2. Kuvvetler vektördür. Bileşenlere ayır, her eksende ayrı ∑F=ma\sum F = ma yaz.
  3. Sabit hız = sıfır net kuvvet. Hareket etmek kuvvet gerektirmez, hızın değişmesi gerektirir.
  4. Etki-tepki çifti farklı cisimlerde. Aynı diyagramda asla birlikte görünmez.
  5. Kütle (kg) ve ağırlık (N) farklı şeyler. W=mgW = mg.

Kuvvet ve net kuvvet

Kuvvet, bir cismin hareket durumunu değiştirebilen etkidir. Birimi newton: 1 N=1 kg⋅m/s21\ \text{N} = 1\ \text{kg}\cdot\text{m/s}^2. Bir cisme birden fazla kuvvet etki ediyorsa önemli olan net kuvvet (net force), yani vektörel toplamdır:

F⃗net=∑F⃗=F⃗1+F⃗2+…\vec F_{net} = \sum \vec F = \vec F_1 + \vec F_2 + \dots

Aynı doğru üzerindeki kuvvetler işaretle toplanır. Dik ya da açılı kuvvetler bileşenlerle toplanır, büyüklükleri düz toplanmaz. 6 N ve 8 N dik kuvvetin toplamı 14 N değil, 36+64=10 N\sqrt{36+64} = 10\ \text{N}.

Birinci yasa ve eylemsiz referans sistemi

Birinci yasa (law of inertia): Net kuvvet sıfırsa cisim duruyorsa durmaya, hareket ediyorsa sabit hızla düz bir çizgide gitmeye devam eder. Cismin hız değişimine direnme eğilimine eylemsizlik (inertia) denir. Kütle, eylemsizliğin ölçüsüdür.

Birinci yasanın geçerli olduğu sistemlere eylemsiz referans sistemi (inertial frame) denir. Sabit hızla giden bir tren eylemsizdir. Fren yapan bir otobüs eylemsiz değildir: içindeki yolcu, hiçbir kuvvet itmediği halde öne doğru “fırlıyor” gibi görünür. Bu tür sistemleri 9. haftada fiktif kuvvetlerle inceleyeceğiz.

Denge (equilibrium) durumu: ∑F⃗=0\sum \vec F = 0, yani a⃗=0\vec a = 0. Duran cisim ve sabit hızla giden cisim ikisi de dengededir.

TUZAK · hareket varsa kuvvet var yanılgısı. Buz üstünde sabit 4 m/s ile kayan disk için net kuvvet sıfırdır. “Hareket yönünde bir kuvvet olmalı” diyen şıkkı ele. Kuvvet hızı değil, ivmeyi belirler.

İkinci yasa

∑F⃗=ma⃗⟺∑Fx=max,∑Fy=may\sum \vec F = m\vec a \qquad\Longleftrightarrow\qquad \sum F_x = m a_x,\quad \sum F_y = m a_y

İvme net kuvvetle aynı yöndedir ve kütleyle ters orantılıdır. Aynı kuvvet küçük kütleye büyük ivme verir.

Örnek 1. 5.0 kg’lık kutuya sürtünmesiz zeminde 20 N doğuya, 8.0 N batıya kuvvet etki ediyor.

Doğu +:  ΣF = 20 - 8.0 = 12 N
a = ΣF / m = 12 / 5.0 = 2.4 m/s², doğuya

Ağırlık ve kütle

Ağırlık (weight), Dünya’nın cisme uyguladığı çekim kuvvetidir: W=mgW = mg, yönü aşağı. g=9.80 m/s2g = 9.80\ \text{m/s}^2 alırız. 70 kg’lık birinin ağırlığı 70⋅9.80=686 N70 \cdot 9.80 = 686\ \text{N}. Ay’da (g=1.62 m/s2g = 1.62\ \text{m/s}^2) kütlesi yine 70 kg, ağırlığı 113 N olur. Kütle cismin özelliğidir, ağırlık konuma bağlıdır.

Üçüncü yasa

A cismi B’ye F⃗AB\vec F_{AB} kuvveti uygularsa B de A’ya aynı büyüklükte, zıt yönde bir kuvvet uygular:

F⃗AB=−F⃗BA\vec F_{AB} = -\vec F_{BA}

Bu ikiliye etki-tepki çifti (action-reaction pair) denir. Üç özelliği var: eşit büyüklük, zıt yön, farklı cisimler. Küçük araba büyük kamyonla çarpıştığında iki cismin birbirine uyguladığı kuvvetler eşittir. Arabanın daha çok hasar görmesi kütlesinin küçük olmasından, yani ivmesinin büyük olmasından gelir.

TUZAK · normal kuvvet ağırlığın tepkisi değil. Masadaki kitapta NN ve mgmg eşit ve zıt ama ikisi de kitaba etki ediyor, bu yüzden etki-tepki çifti değiller. Ağırlığın tepkisi, kitabın Dünya’yı yukarı çekmesidir. Normal kuvvetin tepkisi, kitabın masayı aşağı itmesidir.

Sık kullanılan kuvvetler

KuvvetSembolYönNot
Ağırlık (weight)mgmgHep aşağıHer diyagramda var
Normal kuvvet (normal force)NNYüzeye dik, yüzeyden dışarıHer zaman mgmg değil
Gerilme (tension)TTİp boyunca, cisimden dışarı (çeker)Hafif ipte iki uçta aynı
Uygulanan kuvvetFFVerilen yönAçılıysa bileşenlere ayır
Sürtünme (friction)ffYüzeye paralel, kaymaya zıt7. hafta

Serbest cisim diyagramı yöntemi

Her Newton sorusunda aynı beş adım:

  1. İncelediğin cismi seç ve tek başına bir nokta olarak çiz.
  2. Ona etki eden bütün kuvvetleri ok olarak ekle. Cismin başka cisimlere uyguladığı kuvvetleri ekleme.
  3. Eksen seç. Mümkünse bir eksen ivme yönünde olsun (eğik düzlemde eğim boyunca).
  4. Her eksen için ∑F=ma\sum F = ma yaz. İvme olmayan eksende ∑F=0\sum F = 0.
  5. Birden fazla cisim varsa her biri için ayrı diyagram çiz. Aynı ip, aynı TT ve aynı ∣a∣|a| demektir.

Örnek 2: Asansör. 70 kg’lık biri, yukarı giderken 1.2 m/s² ile hızlanan asansörde tartıda duruyor. Tartı ne gösterir?

Kuvvetler: N yukarı, mg aşağı. İvme yukarı. Yukarı +.
N - mg = m a
N = m(g + a) = 70 (9.80 + 1.2) = 770 N

Tartı normal kuvveti okur. Sabit hızda mg=686 Nmg = 686\ \text{N}, ivme aşağı 1.2 m/s² olsaydı m(g−a)=602 Nm(g-a) = 602\ \text{N} okurdu. İvmenin yönünü hızdan değil, hızın değişiminden bul: “aşağı gidip yavaşlıyor” ivmenin yukarı olduğu anlamına gelir.

Örnek 3: Yan yana itilen bloklar. 2.0 kg ve 6.0 kg’lık iki blok sürtünmesiz zeminde, 16 N kuvvet 2.0 kg’lığı itiyor. Bloklar arası temas kuvveti?

Sistem (iç kuvvetler sadeleşir): a = 16 / (2.0 + 6.0) = 2.0 m/s²
6.0 kg'lık blok tek başına: tek yatay kuvvet P
P = 6.0 · 2.0 = 12 N
Kontrol, 2.0 kg'lık blok: 16 - P = 2.0 · 2.0  →  P = 12 N

Örnek 4: Asılı lamba. 120 N’luk lamba, yatayla 35° yapan iki simetrik iple asılı. Gerilme?

Yatay: T cos35° - T cos35° = 0 (simetri, otomatik)
Dikey: 2 T sin35° - 120 = 0
T = 120 / (2 · 0.574) = 105 N

Açı küçüldükçe (ipler yataya yaklaştıkça) sin⁡θ\sin\theta küçülür ve gerilme büyür. Çamaşır ipini tam düz germek bu yüzden imkansızdır.

Örnek 5: Açılı iki kuvvet. 2.0 kg’lık bir cisme sürtünmesiz yatay düzlemde iki kuvvet etki ediyor: F1=10 NF_1 = 10\ \text{N}, +x+x yönünde (0∘0^\circ) ve F2=8.0 NF_2 = 8.0\ \text{N}, +x+x ekseninden 120∘120^\circ. İvmenin büyüklüğü ve yönü?

x: F1x + F2x = 10 + 8.0 cos120° = 10 - 4.0 = 6.0 N
y: F1y + F2y = 0 + 8.0 sin120° = 6.93 N
|F_net| = √(6.0² + 6.93²) = 9.17 N
a = 9.17 / 2.0 = 4.58 m/s²
yön: tan⁻¹(6.93 / 6.0) = 49.1°  (+x'ten, I. bölge çünkü ikisi de pozitif)

Büyüklükleri düz toplasaydın 18/2.0=9.0 m/s218/2.0 = 9.0\ \text{m/s}^2 bulurdun; bu sadece iki kuvvet aynı yöndeyse doğrudur. Açılı kuvvet sorularında vektörler haftasındaki bileşen yöntemini aynen kullanırsın. cos⁡120∘\cos 120^\circ‘nin negatif olduğuna dikkat: ikinci kuvvetin xx bileşeni birinciye karşı çalışıyor.

Problem çözerken kontrol listesi

Sınavda bir Newton sorusunu bitirdiğinde cevabı işaretlemeden önce şu üç soruyu sor:

  • Birim doğru mu? Kuvvet N, ivme m/s², kütle kg. “N” çıkması gereken yerde “kg” görüyorsan gg ile çarpmayı unutmuşsun.
  • Büyüklük mantıklı mı? Yukarı ivmeli asansörde tartı mgmg‘den büyük, aşağı ivmelide küçük göstermeli. Arkadaki bloğa düşen kuvvet uygulanan kuvvetten küçük olmalı.
  • Limit durumu tutuyor mu? a=0a = 0 koy: denge formülüne dönmeli. Bir kütleyi sıfıra götür: sistem beklediğin gibi davranmalı.

Bu kontroller yanlış şıkların çoğunu hesap yapmadan eler. +5 / −1 puanlamada bir şıkkı bile eleyebilmek tahmini kârlı hale getirir.

Sürtünmesiz eğik düzlem

θ\theta açılı eğimde eksenleri eğime paralel (xx) ve dik (yy) seç. Ağırlığın bileşenleri:

mgsin⁡θ (eg˘im boyunca as¸ag˘ı),mgcos⁡θ (yu¨zeye dik)mg\sin\theta \ (\text{eğim boyunca aşağı}),\qquad mg\cos\theta\ (\text{yüzeye dik})

Dik eksende ivme yok: N=mgcos⁡θN = mg\cos\theta. Eğim boyunca: a=gsin⁡θa = g\sin\theta. Cisim eğime paralel bir iple tutuluyorsa T=mgsin⁡θT = mg\sin\theta.

İPUCU · limit kontrolü. θ=0\theta = 0 koy: yatay zemin, a=0a = 0 ve N=mgN = mg çıkmalı. θ=90∘\theta = 90^\circ koy: serbest düşme, a=ga = g. Formülün bu iki kontrolden geçmiyorsa sin ile cos’u karıştırmışsındır.

Sık yapılan hatalar

Yanlış düşünceDoğrusu
Sabit hızla giden cisme hareket yönünde net kuvvet etki ederNet kuvvet sıfır, a=0a = 0
Etki ve tepki birbirini götürürFarklı cisimlere etki eder, götürmez
Her zaman N=mgN = mgEğimde mgcos⁡θmg\cos\theta, asansörde m(g±a)m(g \pm a)
Normal kuvvet ağırlığın tepkisidirİkisi de aynı cisme etki eder; çift değiller
Ay’da kütle azalırKütle sabit, sadece ağırlık değişir
Dik kuvvetler düz toplanır: 6 + 8 = 14 N62+82=10 N\sqrt{6^2+8^2} = 10\ \text{N}
İvme hız yönündedirİvme net kuvvet yönündedir; yavaşlayan cisimde zıt
Yataydan açıda Tcos⁡θT\cos\theta dikeyi taşırYataydan ölçülen açıda dikey bileşen Tsin⁡θT\sin\theta
Hesap makinesi RAD modundaDerece sorularında DEG modunu kontrol et

Kendini test et

Sınavdaki gibi İngilizce sorular. Önce kâğıt kalemle çöz, sonra cevabı aç.

Soru 1kolay

An 8.0 kg box on a frictionless floor is pulled by a 30 N force toward the east and a 12 N force toward the west. What is the magnitude of its acceleration?

  1. 5.25 m/s²
  2. 3.75 m/s²
  3. 2.25 m/s²
  4. 1.50 m/s²
  5. 18 m/s²
Cevabı göster
C) 2.25 m/s²

Zıt yönlü kuvvetler çıkarılır: Fnet=30−12=18 NF_{net} = 30 - 12 = 18\ \text{N}, a=Fnet/m=18/8.0=2.25 m/s2a = F_{net}/m = 18/8.0 = 2.25\ \text{m/s}^2. A: kuvvetleri toplamak (42/8). B: sadece 30 N'u almak. D: sadece 12 N. E: kütleye bölmeyi unutmak.

Soru 2kolay

Two forces act on a 2.0 kg object: F⃗1=6.0 i^\vec F_1 = 6.0\,\hat i N and F⃗2=8.0 j^\vec F_2 = 8.0\,\hat j N. What is the magnitude of the object's acceleration?

  1. 7.0 m/s²
  2. 5.0 m/s²
  3. 1.0 m/s²
  4. 10 m/s²
  5. 14 m/s²
Cevabı göster
B) 5.0 m/s²

Kuvvetler dik, vektörel toplanır: ∣F⃗net∣=62+82=10 N|\vec F_{net}| = \sqrt{6^2+8^2} = 10\ \text{N}, a=10/2.0=5.0 m/s2a = 10/2.0 = 5.0\ \text{m/s}^2. A: büyüklükleri düz toplamak (14/2). C: çıkarmak. D: kütleye bölmemek. E: hem toplamak hem bölmemek.

Soru 3kolay

An astronaut has a mass of 70 kg on Earth. On the Moon (gMoon=1.62 m/s2g_{Moon} = 1.62\ \text{m/s}^2), what are her mass and weight?

  1. 70 kg and 686 N
  2. 11.6 kg and 113 N
  3. 70 kg and 113 N
  4. 113 kg and 70 N
  5. 0 kg and 0 N
Cevabı göster
C) 70 kg and 113 N

Kütle (mass) cismin madde miktarıdır, yer değişince değişmez: 70 kg. Ağırlık (weight) W=mg=70⋅1.62=113 NW = mg = 70 \cdot 1.62 = 113\ \text{N}. A: Dünya'daki ağırlığı taşımak. B: kütlenin de azaldığını sanmak. D: kütle ile ağırlığı karıştırmak.

Soru 4orta

A horse pulls a cart and the cart accelerates forward. Which statement is correct?

  1. The horse pulls the cart harder than the cart pulls the horse.
  2. The cart pulls the horse harder than the horse pulls the cart.
  3. The two forces are equal and opposite, so they cancel and the cart cannot accelerate.
  4. The two forces are equal and opposite but act on different objects; the cart accelerates because of the net force on the cart.
  5. The cart exerts no force on the horse.
Cevabı göster
D) Equal and opposite, acting on different objects

Üçüncü yasa (third law): at arabaya ne kadar kuvvet uygularsa araba da ata o kadar uygular. Bu iki kuvvet farklı cisimlere etki ettiği için birbirini götürmez. Arabanın ivmesi sadece arabaya etki eden kuvvetlerin toplamına bağlıdır (atın çekmesi eksi sürtünme). C şıkkı en sık yapılan kavram hatası.

Soru 5kolay

A hockey puck slides across frictionless ice at a constant velocity of 4.0 m/s. What is the net force on the puck?

  1. Zero
  2. In the direction of motion
  3. Opposite to the motion
  4. Equal to its weight, downward
  5. It depends on the speed
Cevabı göster
A) Zero

Birinci yasa (first law): sabit hız, ivme sıfır demektir, bu yüzden ∑F⃗=0\sum \vec F = 0. Hareketi sürdürmek için kuvvet gerekmez. Ağırlık ve normal kuvvet var ama birbirini dengeler. B "hareket varsa kuvvet var" yanılgısı.

Soru 6orta

A 75 kg person stands on a scale in an elevator that is moving downward and slowing down at 1.5 m/s². What does the scale read?

  1. 623 N
  2. 735 N
  3. 848 N
  4. 113 N
  5. 75 N
Cevabı göster
C) 848 N

Aşağı giderken yavaşlıyor: hız aşağı, ivme yukarı. Yukarıyı + al: N−mg=maN - mg = ma, N=m(g+a)=75(9.80+1.5)=847.5≈848 NN = m(g+a) = 75(9.80+1.5) = 847.5 \approx 848\ \text{N}. A: ivmeyi aşağı almak, m(g−a)m(g-a). B: ivmeyi yok saymak. D: sadece mama. E: kütleyi newton sanmak.

Soru 7orta

Two blocks, m1=3.0m_1 = 3.0 kg and m2=5.0m_2 = 5.0 kg, sit side by side on a frictionless surface. A horizontal force of 24 N pushes on m1m_1, which pushes m2m_2. What is the contact force between the blocks?

  1. 24 N
  2. 9.0 N
  3. 15 N
  4. 40 N
  5. 3.0 N
Cevabı göster
C) 15 N

Önce sistem: a=F/(m1+m2)=24/8.0=3.0 m/s2a = F/(m_1+m_2) = 24/8.0 = 3.0\ \text{m/s}^2. m2m_2'yi tek başına çiz: üzerinde yatay tek kuvvet temas kuvveti PP, P=m2a=5.0⋅3.0=15 NP = m_2 a = 5.0 \cdot 3.0 = 15\ \text{N}. B: m1am_1 a (yanlış blok). A: itme kuvvetinin aynen geçtiğini sanmak. E: ivmeyi cevap yazmak.

Soru 8orta

A 150 N traffic light hangs from two identical cables, each making 40° above the horizontal. What is the tension in each cable?

  1. 97.9 N
  2. 117 N
  3. 233 N
  4. 75.0 N
  5. 101 N
Cevabı göster
B) 117 N

Simetri: iki gerilme eşit. Dikey denge: 2Tsin⁡40∘=1502T\sin 40^\circ = 150, T=150/(2⋅0.643)=117 NT = 150/(2 \cdot 0.643) = 117\ \text{N}. A: açı yataydan verilmişken cos kullanmak. C: 2'yi unutmak (tek ip taşıyor sanmak). D: W/2W/2, açıyı yok saymak. E: hesap makinesi RAD modunda.

Soru 9kolay

What constant net force is needed to bring a 1200 kg car from rest to 27 m/s in 9.0 s?

Cevabı göster
3600 N (3.6 kN)

Önce ivme: a=Δv/Δt=27/9.0=3.0 m/s2a = \Delta v/\Delta t = 27/9.0 = 3.0\ \text{m/s}^2. Sonra F=ma=1200⋅3.0=3600 NF = ma = 1200 \cdot 3.0 = 3600\ \text{N}.

Soru 10orta

A 4.0 kg object initially at rest is acted on by a single constant force F⃗=(6.0 i^−8.0 j^)\vec F = (6.0\,\hat i - 8.0\,\hat j) N. What is its speed after 2.0 s?

Cevabı göster
5.0 m/s

a⃗=F⃗/m=(1.5 i^−2.0 j^) m/s2\vec a = \vec F/m = (1.5\,\hat i - 2.0\,\hat j)\ \text{m/s}^2, ∣a⃗∣=1.52+2.02=2.5 m/s2|\vec a| = \sqrt{1.5^2+2.0^2} = 2.5\ \text{m/s}^2. Durgun başladığı için v=at=2.5⋅2.0=5.0 m/sv = at = 2.5 \cdot 2.0 = 5.0\ \text{m/s}.

Soru 11orta

A 30 N horizontal force pulls block A (4.0 kg), which is tied by a light string to block B (2.0 kg) behind it. The surface is frictionless. What is the tension in the string?

  1. 30 N
  2. 20 N
  3. 10 N
  4. 15 N
  5. 5.0 N
Cevabı göster
C) 10 N

a=30/(4.0+2.0)=5.0 m/s2a = 30/(4.0+2.0) = 5.0\ \text{m/s}^2. Arkadaki B'yi çiz: tek yatay kuvvet ip gerilmesi, T=mBa=2.0⋅5.0=10 NT = m_B a = 2.0 \cdot 5.0 = 10\ \text{N}. B: öndeki bloğun kütlesiyle çarpmak. A: gerilmeyi uygulanan kuvvete eşit sanmak. E: ivmeyi cevap yazmak.

Soru 12orta

A 10 kg block is held at rest on a frictionless 25° incline by a rope parallel to the incline. What is the tension in the rope?

  1. 88.8 N
  2. 98.0 N
  3. 45.7 N
  4. 41.4 N
  5. 49.0 N
Cevabı göster
D) 41.4 N

Eğim boyunca denge: T=mgsin⁡25∘=10⋅9.80⋅0.423=41.4 NT = mg\sin 25^\circ = 10 \cdot 9.80 \cdot 0.423 = 41.4\ \text{N}. A: mgcos⁡θmg\cos\theta (bu normal kuvvet). B: mgmg. C: mgtan⁡θmg\tan\theta (ip yatay olsaydı geçerli olurdu). E: sin⁡30∘\sin 30^\circ gibi ezber değer.

Doğrulama: Tüm sayısal cevaplar ve çeldiriciler node ile hesaplandı (verify/PHY1001/06.mjs), g = 9.80 m/s².

Deftere not kartı

1. yasa: ΣF = 0 <=> a = 0 (duruyor ya da SABİT hız) 2. yasa: ΣF = m a (vektörel; her eksende ayrı: ΣFx = m ax, ΣFy = m ay) 3. yasa: F_AB = -F_BA eşit, zıt, FARKLI cisimlerde, birbirini götürmez 1 N = 1 kg·m/s² W = m g (g = 9.80) kütle her yerde aynı SCD: cismi yalnız çiz → mg aşağı, N yüzeye dik, T ip boyunca, F uygulanan Asansör: ivme yukarı N = m(g+a), ivme aşağı N = m(g-a), sabit hız N = mg "aşağı gidip yavaşlıyor" = ivme YUKARI Bloklar itiliyor: a = F/(m1+m2), arkadaki blok P = m_arka · a Eğik düzlem (sürtünmesiz): a = g sinθ, N = mg cosθ Simetrik iki ip, açı yataydan θ: 2T sinθ = W Dik kuvvetler: |F| = √(Fx² + Fy²), büyüklükler düz toplanmaz