PHY1001 · 9. hafta · Circular Motion: Fictitious Force in a Rotating System, Motion in the Presence of Resistive Forces.

Fiktif kuvvetler ve direnç kuvvetleri

İvmeli ve dönen sistemlerde ortaya çıkan fiktif kuvvetler, R = bv ve R = ½DρAv² direnç modelleri, limit hız ve zaman sabiti.

noninertial framefictitious forcecentrifugal forceCoriolis forceresistive forcedrag coefficientterminal speedtime constantair resistance

Bu hafta iki ayrı konu var ve ikisi de Newton’un ikinci yasasını yeni bir duruma taşıyor. İlki, gözlemcinin kendisi ivmelenirken ne olduğu: fiktif kuvvetler (fictitious forces). İkincisi, hızla büyüyen bir kuvvet olan sıvı ve hava direnci (resistive force) ve onun doğurduğu limit hız (terminal speed). Sınavda fiktif kuvvet daha çok kavram ve “sarkaç hangi açıda durur” sorusu olarak, direnç kuvveti ise limit hız ve üstel hız formülü olarak çıkar.

Altın kurallar:

  1. Fiktif kuvvet ivmeye zıt yönde, −ma⃗-m\vec a. Yerden bakan için hiç yoktur.
  2. İki bakış da aynı cevabı verir. Sınavda hangisi kolaysa onu seç, ama ikisini karıştırma.
  3. Limit hızda ivme sıfır: direnç = ağırlık.
  4. R=bvR = bv ise vT=mg/bv_T = mg/b; R∝v2R \propto v^2 ise vT∝mv_T \propto \sqrt m.

Eylemsiz olmayan sistemler

Newton yasaları sadece eylemsiz referans sistemlerinde (inertial frame) geçerlidir. İvmelenen bir arabanın, fren yapan otobüsün, dönen bir platformun içindeki gözlemci eylemsiz değildir (noninertial frame). Bu gözlemci ∑F⃗=ma⃗\sum \vec F = m\vec a yazmak isterse gerçek kuvvetlere bir fiktif kuvvet eklemek zorundadır:

F⃗fiktif=−ma⃗sistem\vec F_{fiktif} = -m\vec a_{sistem}

Fiktif kuvvetin kaynağı bir cisim değildir, bu yüzden etki-tepki çifti yoktur. Sadece hesabı kolaylaştıran bir düzeltme terimidir.

Kavramsal örnek. Otobüs ani fren yapınca öne savrulursun. Yerdeki gözlemci: “Otobüs yavaşladı, yolcu birinci yasaya göre aynı hızla gitmeye devam etti.” Otobüsteki gözlemci: “Beni öne iten bir kuvvet var.” İkisi de doğru tahmini yapar; sadece ikincisi fiktif kuvvet kullanır.

İvmeli araçta asılı cisim

Tavana asılı küçük bir kütle, aa ile ileri hızlanan bir kamyonda geriye doğru θ\theta açısıyla durur.

Kamyondan bakış (denge): T sinθ = m a   (fiktif kuvvet geriye, gerilmenin yatayı ileriye)
                          T cosθ = m g
Böl: tanθ = a / g
Yerden bakış (ivmeli): T sinθ = m a, T cosθ = m g → aynı sonuç

Örnek 1. a=2.5 m/s2a = 2.5\ \text{m/s}^2.

tanθ = 2.5 / 9.80 = 0.255  →  θ = 14.3°
T = m √(a² + g²) = m · 10.1 m/s²   (ip, ağırlıktan biraz fazla gerilir)

Bu düzenek bir ivmeölçerdir (accelerometer): açıyı ölçersen ivmeyi bulursun.

Asansör, fiktif kuvvet gözüyle

  1. haftadaki asansör sorusunu asansörün içinden de çözebilirsin. 60 kg’lık biri, 2.0 m/s² ile yukarı ivmelenen asansörde. Asansörün içinde kişi dengede; gerçek kuvvetler NN (yukarı) ve mgmg (aşağı), fiktif kuvvet mama ivmeye zıt, yani aşağı.
Denge: N - mg - m a = 0
N = m (g + a) = 60 (9.80 + 2.0) = 708 N
Fiktif kuvvetin büyüklüğü: m a = 60 · 2.0 = 120 N

Sonuç yerden bakışla aynı. Kişinin “ağır hissetmesi” bu ek 120 N’luk fiktif kuvvetin hissidir. Serbest düşen bir asansörde a=ga = g aşağı, fiktif kuvvet mgmg yukarı, ağırlığı tam götürür: N=0N = 0, ağırlıksızlık.

Dönen sistemler: merkezkaç ve Coriolis

ω\omega açısal hızıyla dönen bir platformdaki gözlemci, merkezden rr uzakta dururken dışarı doğru bir kuvvet hisseder: merkezkaç kuvveti (centrifugal force).

Fcf=mω2r=mv2r(dıs¸arı dog˘ru)F_{cf} = m\omega^2 r = \frac{mv^2}{r}\quad(\text{dışarı doğru})

Yerden bakınca durum farklı: kişi çemberde dönüyor ve onu merkeze çeken gerçek bir kuvvet (sürtünme, tutunduğu çubuk) var. Merkezkaç kuvveti eylemsiz sistemde yoktur. 8. haftada virajı yerden çözdüğümüz için orada merkezkaç kullanmadık.

Örnek 2. 50 kg’lık çocuk, 1.2 rad/s ile dönen platformun merkezinden 3.0 m uzakta.

Platformdan: F_cf = m ω² r = 50 · 1.44 · 3.0 = 216 N, dışarı
Kaymaması için statik sürtünme 216 N, içeri. μs ≥ 216 / (50 · 9.80) = 0.44

Dönen sistemde hareket eden cisme ayrıca Coriolis kuvveti (Coriolis force) etki eder; hıza dik, yana saptırır. Dönen platformda karşıya top atınca topun yolunun kıvrılması böyle açıklanır. Dünya’da büyük hava kütlelerinin dönmesi de bu etkidir. Bu derste genelde sadece kavram olarak sorulur.

TUZAK · iki bakışı karıştırmak. Yerden çözerken merkezkaç kuvvetini diyagrama ekleme. Eklersen kuvvetler dengelenir ve ∑F=mv2/r\sum F = mv^2/r yerine 00 yazarsın. Kural: ya yerden bak ve sadece gerçek kuvvetleri kullan, ya dönen sistemden bak ve fiktif kuvveti ekleyip denge yaz.

Direnç kuvvetleri

Sıvı ya da gaz içinde hareket eden cisme hıza zıt bir direnç kuvveti (resistive force) etki eder. Büyüklüğü hıza bağlıdır. İki model kullanılır.

Model 1: hızla orantılı direnç, R=bvR = bv

Küçük cisimler, yavaş hareket, yoğun sıvılar (yağ içindeki boncuk, toz tanesi). bb cismin boyutuna ve sıvıya bağlı sabit, birimi kg/s. Durgun bırakılan cisim için aşağıyı + al:

mg−bv=mdvdtmg - bv = m\frac{dv}{dt}

Başta v=0v = 0 ve a=ga = g. Hız arttıkça direnç artar, ivme azalır. a=0a = 0 olduğunda hız sabitlenir: limit hız (terminal speed).

vT=mgb,v(t)=vT(1−e−t/τ),τ=mbv_T = \frac{mg}{b},\qquad v(t) = v_T\left(1 - e^{-t/\tau}\right),\qquad \tau = \frac{m}{b}

İvme de a(t)=g e−t/τa(t) = g\,e^{-t/\tau} olarak sıfıra iner. τ\tau zaman sabitidir (time constant).

ttv/vTv / v_T
τ\tau1−e−1=0.6321 - e^{-1} = 0.632
2τ2\tau1−e−2=0.8651 - e^{-2} = 0.865
3τ3\tau1−e−3=0.9501 - e^{-3} = 0.950

Örnek 3. m=10m = 10 g, b=0.050b = 0.050 kg/s, durgun bırakılıyor. vTv_T, τ\tau ve t=0.30t = 0.30 s’deki hız?

m = 0.010 kg  (gram → kilogram!)
v_T = m g / b = 0.010 · 9.80 / 0.050 = 1.96 m/s
τ = m / b = 0.010 / 0.050 = 0.20 s
v(0.30) = 1.96 (1 - e^(-0.30/0.20)) = 1.96 (1 - e^(-1.5)) = 1.52 m/s
a(0.30) = 9.80 e^(-1.5) = 2.19 m/s²

TUZAK · üstte birim kalması. e−te^{-t} yazarsan üstte saniye kalır; üs her zaman boyutsuz olmalı. Doğrusu e−t/τe^{-t/\tau}. τ\tau‘yu b/mb/m yazarsan birimi s⁻¹ olur, yine yanlış.

Model 2: hızın karesiyle orantılı direnç

Gündelik boyutta ve hızda hareket eden cisimler (paraşütçü, top, araba) için hava direnci:

R=12DρAv2R = \tfrac12 D\rho A v^2

DD birimsiz sürüklenme katsayısı (drag coefficient), ρ\rho hava yoğunluğu (yaklaşık 1.20 kg/m³), AA harekete dik kesit alanı. Limit hızda R=mgR = mg:

vT=2mgDρAv_T = \sqrt{\frac{2mg}{D\rho A}}

Herhangi bir anda: a=g−DρAv22m=g(1−v2vT2)a = g - \dfrac{D\rho A v^2}{2m} = g\left(1 - \dfrac{v^2}{v_T^2}\right).

Örnek 4. 0.45 kg’lık top, D=0.50D = 0.50, A=0.038 m2A = 0.038\ \text{m}^2.

v_T = √(2 · 0.45 · 9.80 / (0.50 · 1.20 · 0.038))
    = √(8.82 / 0.0228) = √386.8 = 19.7 m/s

Paraşüt açılınca AA ve DD çok büyür, vTv_T birkaç m/s’ye düşer. Kütle 4 katına çıkarsa vTv_T 2 katına çıkar (m\sqrt m); R=bvR = bv modelinde ise 4 katına çıkardı.

Örnek 5. 80 kg’lık paraşütçünün limit hızı 43.2 m/s (sorulardaki değerlerle). 30 m/s hıza ulaştığı anda ivmesi?

a = g (1 - v² / v_T²) = 9.80 (1 - 900 / 1867) = 9.80 · 0.518 = 5.08 m/s²

İvme gg‘den başlayıp sürekli azalır ve limit hızda sıfır olur. Bu yüzden vv–tt grafiği önce gg eğimiyle yükselen, sonra vTv_T‘de yataylaşan bir eğridir. aa–tt grafiği ise gg‘den sıfıra inen bir eğridir. Grafik sorularında bu iki şekli tanı.

İPUCU · hangi model? Soru bb veriyorsa R=bvR = bv, DD, ρ\rho ve AA veriyorsa v2v^2 modeli. Üstel e−t/τe^{-t/\tau} formülü sadece R=bvR = bv için geçerli.

Sık yapılan hatalar

Yanlış düşünceDoğrusu
Fiktif kuvvet ivme yönündeİvmeye zıt: −ma⃗-m\vec a
Yerden çözerken merkezkaç kuvveti eklemekEylemsiz sistemde sadece gerçek kuvvetler
Merkezkaç kuvvetinin bir tepkisi varFiktif kuvvetin kaynağı ve tepkisi yok
Sarkaç açısı tan⁡θ=g/a\tan\theta = g/atan⁡θ=a/g\tan\theta = a/g
Limit hızda ivme ggLimit hızda a=0a = 0, R=mgR = mg
v=vTe−t/τv = v_T e^{-t/\tau}v=vT(1−e−t/τ)v = v_T(1 - e^{-t/\tau}); azalan kısım e−t/τe^{-t/\tau}
τ=b/m\tau = b/mτ=m/b\tau = m/b, birimi saniye
v2v^2 modelinde vT∝mv_T \propto mvT∝mv_T \propto \sqrt m
Gramla hesap yapmakÖnce kg’a çevir: 3.0 g = 0.0030 kg
Hesap makinesi RAD modunda açılı soruDEG modunu kontrol et

Kendini test et

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

Soru 1orta

A small ball hangs from a string attached to the ceiling of a truck that accelerates forward at 3.0 m/s². At what angle from the vertical does the string hang?

  1. 73.0°
  2. 17.8°
  3. 17.0°
  4. 72.2°
  5. 0.306°
Cevabı göster
C) 17.0°

Kamyonun içinden bakınca top dengede: Tsin⁡θ=maT\sin\theta = ma (fiktif kuvveti dengeler), Tcos⁡θ=mgT\cos\theta = mg. tan⁡θ=a/g=3.0/9.80\tan\theta = a/g = 3.0/9.80, θ=17.0∘\theta = 17.0^\circ. A: oranı ters kurmak. B: tan yerine sin. D: cos. E: oranı açı sanmak.

Soru 2kolay

A passenger in a train sees a ball on the floor start rolling toward the back of the train even though nobody touched it. What best explains this?

  1. A real backward force acts on the ball.
  2. The train is accelerating forward; in the train frame a fictitious force −ma⃗-m\vec a appears.
  3. The train is moving at constant velocity.
  4. The train is accelerating backward.
  5. Friction pushes the ball backward.
Cevabı göster
B) The train is accelerating forward; a fictitious force appears

Yerdeki gözlemciye göre top yerinde kalmak ister (sürtünme ihmal), tren ileri hızlanıp altından kayar. Tren içindeki gözlemci bunu geriye doğru −ma⃗-m\vec a fiktif kuvveti olarak yorumlar. Sabit hızda (C) hiçbir şey olmazdı; geriye doğru ivmede (D) top öne yuvarlanırdı.

Soru 3orta

A 60 kg person stands 2.0 m from the center of a merry-go-round rotating at 1.5 rad/s. In the rotating frame, what is the magnitude of the centrifugal force on the person?

  1. 180 N
  2. 270 N
  3. 135 N
  4. 540 N
  5. 588 N
Cevabı göster
B) 270 N

Fcf=mω2r=60⋅1.52⋅2.0=270 NF_{cf} = m\omega^2 r = 60 \cdot 1.5^2 \cdot 2.0 = 270\ \text{N}, dışarı doğru. Yerden bakınca aynı büyüklükte gerçek bir kuvvet (sürtünme) kişiyi merkeze çeker. A: ω\omega'nın karesini almamak. C ve D: 2 çarpanında hata. E: ağırlık.

Soru 4zor

A 0.040 kg object is released from rest in a fluid that exerts a resistive force R=bvR = bv with b=0.20b = 0.20 kg/s. What is its speed at t=0.40t = 0.40 s?

  1. 1.96 m/s
  2. 0.646 m/s
  3. 0.265 m/s
  4. 1.70 m/s
  5. 0.151 m/s
Cevabı göster
D) 1.70 m/s

vT=mg/b=0.040⋅9.80/0.20=1.96 m/sv_T = mg/b = 0.040 \cdot 9.80/0.20 = 1.96\ \text{m/s}, τ=m/b=0.20 s\tau = m/b = 0.20\ \text{s}. v=vT(1−e−t/τ)=1.96(1−e−2)=1.70 m/sv = v_T(1 - e^{-t/\tau}) = 1.96(1 - e^{-2}) = 1.70\ \text{m/s}. A: limit hıza hemen ulaştığını sanmak. B: τ\tau'yu unutup e−te^{-t} yazmak. C: 1−1 - kısmını unutmak. E: τ=b/m\tau = b/m almak.

Soru 5orta

An 80 kg skydiver falls in a spread-eagle position with D=1.0D = 1.0 and cross-sectional area A=0.70 m2A = 0.70\ \text{m}^2. Air density is 1.20 kg/m³. Using R=12DρAv2R = \tfrac12 D\rho A v^2, find the terminal speed.

Cevabı göster
43.2 m/s

Limit hızda mg=12DρAvT2mg = \tfrac12 D\rho A v_T^2, vT=2mg/(DρA)=1568/0.84=1867=43.2 m/sv_T = \sqrt{2mg/(D\rho A)} = \sqrt{1568/0.84} = \sqrt{1867} = 43.2\ \text{m/s} (yaklaşık 156 km/h).

Soru 6orta

For an object falling with air resistance R=12DρAv2R = \tfrac12 D\rho A v^2, its mass is quadrupled while its shape and size stay the same. Its terminal speed:

  1. stays the same
  2. doubles
  3. quadruples
  4. is halved
  5. increases by a factor of 16
Cevabı göster
B) doubles

vT=2mg/(DρA)∝mv_T = \sqrt{2mg/(D\rho A)} \propto \sqrt m. Kütle 4 katına çıkarsa vTv_T, 4=2\sqrt 4 = 2 katına çıkar. C: R=bvR = bv modelinde (vT=mg/bv_T = mg/b) doğru olurdu.

Soru 7zor

An object falls through air with R∝v2R \propto v^2. At the instant its speed equals half of its terminal speed, what is the magnitude of its acceleration?

  1. 4.90 m/s²
  2. 9.80 m/s²
  3. 0
  4. 7.35 m/s²
  5. 2.45 m/s²
Cevabı göster
D) 7.35 m/s²

a=g−Rm=g(1−v2vT2)=9.80(1−0.25)=7.35 m/s2a = g - \frac{R}{m} = g\left(1 - \frac{v^2}{v_T^2}\right) = 9.80(1 - 0.25) = 7.35\ \text{m/s}^2. A: direnci vv ile doğrusal sanmak. B: direnci yok saymak. C: limit hızdaki durum. E: g/4g/4, işaret karışıklığı.

Soru 8kolay

For an object released from rest with a resistive force R=bvR = bv, what fraction of the terminal speed has it reached after one time constant τ=m/b\tau = m/b?

  1. 36.8%
  2. 50.0%
  3. 63.2%
  4. 86.5%
  5. 100%
Cevabı göster
C) 63.2%

v(τ)/vT=1−e−1=0.632v(\tau)/v_T = 1 - e^{-1} = 0.632. A: e−1e^{-1} kalan kısımdır. D: t=2τt = 2\tau için. E: limit hıza sadece t→∞t \to \infty'da ulaşılır.

Soru 9zor

A block sits on a frictionless wedge inclined at 20°. The wedge is pushed horizontally so that the block does not slide relative to it. What is the wedge's acceleration?

  1. 3.35 m/s²
  2. 9.21 m/s²
  3. 26.9 m/s²
  4. 21.9 m/s²
  5. 3.57 m/s²
Cevabı göster
E) 3.57 m/s²

Kamanın içinden bakınca: fiktif kuvvet mama yatay geriye. Eğim boyunca denge: macos⁡θ=mgsin⁡θma\cos\theta = mg\sin\theta, a=gtan⁡20∘=3.57 m/s2a = g\tan 20^\circ = 3.57\ \text{m/s}^2. Yerden bakınca aynı sonuç: Ncos⁡θ=mgN\cos\theta = mg, Nsin⁡θ=maN\sin\theta = ma. A: gsin⁡θg\sin\theta. B: gcos⁡θg\cos\theta. C: g/tan⁡θg/\tan\theta. D: RAD modunda tan⁡20\tan 20.

Soru 10orta

A 3.0 g bead falling through oil reaches a terminal speed of 0.050 m/s. Assuming R=bvR = bv, what is bb?

Cevabı göster
0.588 kg/s

Limit hızda bvT=mgbv_T = mg, b=mg/vT=0.0030⋅9.80/0.050=0.588 kg/sb = mg/v_T = 0.0030 \cdot 9.80/0.050 = 0.588\ \text{kg/s}. Gramı kilograma çevirmeyi unutma. Zaman sabiti τ=m/b=5.1 ms\tau = m/b = 5.1\ \text{ms}: boncuk limit hıza neredeyse anında ulaşır.

Soru 11orta

A coin sits 15 cm from the center of a turntable; μs=0.40\mu_s = 0.40. What is the maximum angular speed at which the coin does not slide?

  1. 26.1 rad/s
  2. 8.08 rad/s
  3. 0.767 rad/s
  4. 5.11 rad/s
  5. 2.56 rad/s
Cevabı göster
D) 5.11 rad/s

Merkezcil kuvveti statik sürtünme sağlar: mω2r≤μsmgm\omega^2 r \le \mu_s mg, ωmax=μsg/r=0.40⋅9.80/0.15=5.11 rad/s\omega_{max} = \sqrt{\mu_s g/r} = \sqrt{0.40 \cdot 9.80/0.15} = 5.11\ \text{rad/s}. Dönen sistemde aynı şey: merkezkaç kuvveti sürtünmeyi aşınca kayar. A: kök almamak. B: μs\mu_s'yi unutmak. C: rr'yi paya koymak.

Doğrulama: Tüm sayısal cevaplar ve çeldiriciler node ile hesaplandı (verify/PHY1001/09.mjs), g = 9.80 m/s²; üstel ifadeler Math.exp ile.

Deftere not kartı

Eylemsiz olmayan sistem (ivme a): fiktif kuvvet F = -m a (ivmeye ZIT) İvmeli araçta sarkaç: tanθ = a/g Dönen sistem: merkezkaç F = m ω² r = m v²/r, DIŞARI; Coriolis hareketli cisme yanal Fiktif kuvvetin tepkisi yok; yerden bakınca hiç yok, sadece gerçek kuvvetler var Sürtünmesiz kamada blok durur: a = g tanθ R = b v: v_T = m g / b, τ = m / b v(t) = v_T (1 - e^(-t/τ)), a(t) = g e^(-t/τ) t = τ → %63.2, t = 2τ → %86.5, t = 3τ → %95.0 R = ½ D ρ A v²: v_T = √(2 m g / (D ρ A)), v_T ∝ √m Herhangi an: a = g - R/m; v² modelinde a = g(1 - v²/v_T²) Limit hızda a = 0, R = mg Gram → kg, cm → m çevir; e üssü boyutsuz olmalı (t/τ)