Sürtünme Kuvveti Hakkında Neler Biliyoruz?

CounterOffensive111

Ortaokul ya da lise fizik derslerinde hepimizin duymuş olduğu bir kavramdır sürtünme kuvveti. Basit bir formül ile ayrıntısına girmeden anlatılıp da çoğunlukla ezber yoluyla geçilir. Çoğu kişinin; fizik, matematik ve geometri gibi sayısal derslerle arasının iyi olmadığı düşünüldüğünde zaten havada kalacak olan ve basitçe unutulacak ya da daha kötüsü hiç anlaşılamayacak olan fizik terimlerinden bir diğeridir.

Bugünkü Bence'mizde işte bu sürtünme konusunun üzerinde duracağız. Sürtünme kuvvetinin hayatımızdaki olmazsa olmaz yerini anlayacağız. Terimlere ve sayısal işlemlere gömülmeden bunu yapmanın, ne kadar zor olacağını biliyor olsam da bunu denemek noktasında kendimde böyle bir çabanın isteğini görmekteyim. Dilerseniz sürtünme kuvvetinin tanımıyla açalım bugünkü konumuzu.

Sürtünme Kuvvetinin Bilimsel Tanımı

''Sürtünme kuvveti, temas halinde olan iki nesnenin arasında oluşan ve harekete karşı koyan kuvvete verilen isimdir. Bu kuvvetin ortaya çıkması için hareket gerekmez ancak hareketin olduğu durumlardaki (kinetik) sürtünme kuvveti, hareketin olmadığı durumdan (statik) farklıdır.''

Serbest Cisim Diyagramları
Serbest Cisim Diyagramları

Bilimsel tanımdan görüldüğü üzere etki-tepki prensibine doğrudan bağlı olan sürtünme kuvveti, statik ve kinetik olmak üzere iki çeşide ayrılmaktadır.

Bir Araç Üzerindeki Kuvvetlerin Etki-Tepki Diyagramı
Bir Araç Üzerindeki Kuvvetlerin Etki-Tepki Diyagramı

Sürtünme Kuvvetinin Kökeni Nedir?

Sürtünme kuvvetinin nasıl oluştuğunu ve nelere bağlı olduğunu biliyoruz: İki yüzey arasındaki etki-tepki kuvveti ve sürtünen yüzeylerin cinsi. Peki sürtünme kuvveti, doğadaki dört temel kuvvetten hangisine bağlı? Bunun cevabını verebilmek için öncelikle bu dört temel kuvvete kısaca değinelim.

Doğadaki Dört Temel Kuvvet

Temel etkileşimler ya da temel kuvvetler olarak da bilinen bu kuvvetler; kütle çekimsel elektromanyetik, güçlü nükleer ve zayıf nükleer etkileşimler ya da kuvvetler olarak sınıflandırılırlar.

Dört Temel Kuvvet ve Modellemeleri
Dört Temel Kuvvet ve Modellemeleri
Temel Parçacıkların Standart Modeli
Temel Parçacıkların Standart Modeli

Sürtünme Kuvveti Hangi Temel Etkileşime Bağlı?

Sürtünme kuvveti, bir temel kuvvet olmamasına rağmen var olan her şey gibi bu temel kuvvetlerin bir sonucu olmak zorundadır. Yapılan deneyler ve bunlardan elde edilen bulgular, sürtünme kuvvetinin ''elektromanyetik etkileşimden'' meydana geldiğini açıkça göstermektedir.

Mikroskop kullanılarak bakıldığında görülecektir ki cisimlerin yüzeyleri düz değildir. Girinti ve çıkıntılara sahip bu yüzeyler, cisme bir çeşit kanca gibi bağlanacak ve bununla elektromanyetik etkiye girecek atomların tutunmasına yol açar. Atom altı bir parçacık olan ''elektronlar'' birbirlerine yaklaştıkça etkileşime girmektedir. Durgun bir cismi hareket ettirmek için bu etkileşim kuvvetini yenmek gereklidir. Bu kuvveti yenmek için gerekli minimum kuvvete ise ''statik sürtünme kuvveti'' denmektedir.

Sürtünme Kuvveti ve Yüzey İlişkisi
Sürtünme Kuvveti ve Yüzey İlişkisi

Kaç Tür Sürtünme Kuvveti Vardır?

Genel olarak fizikte, iki türde sürtünme kuvveti mevcuttur: Statik ve kinetik sürtünme kuvvetleri. Aslında bunlar yalnızca ''kuru sürtünme'' çeşidinin iki alt başlığıdır. Bugünkü konumuzu fazla uzatıp da akılları karıştırmamak için bu iki çeşide yer vereceğiz.

Statik Sürtünme Kuvveti

En temel tanımı ile statik sürtünme kuvveti, cismin hareketinin olmadığı durumda ona etkiyen sürtünme kuvveti çeşididir. Fakat bu kuvvetin oluşabilmesi de yine bir diğer zorlayıcı kuvvete bağlıdır yani tek başına ve yerçekimi haricinde hiçbir kuvvete maruz kalmayan bir cisme etki eden statik sürtünme kuvveti ise ''0'' olacaktır.

Şöyle ki yerde duran bir kola kutusunu düşünelim. Bu kutuya yalnızca yer çekimi etki ediyor olacaktır eğer başka bir kuvvete maruz kalmıyorsa. Bu durumda harici bir kuvvete maruz kalmayan bu cisim, harekete zorlanmıyor olacaktır. Sürtünme kuvvetinin harekete zorlanma ve hareket esnasında oluşan elektromanyetik etkilerden oluştuğu bilindiğine göre demek ki hareket ve harekete dair bir zorlayıcı yoksa ortada sürtünme kuvveti de olmayacaktır.

Bu açıdan düşünüldüğünde ''eylemsizlik'' ilkesiyle de yakından ilişkili olan statik sürtünme kuvveti, bizim uyguladığımız kuvvete aynı şekilde karşılık vererek artacaktır. Fs = k.N ile kabaca formüle edilebilecektir bu kuvvet.

Diyelim ki ortada, maksimum 10 Newton statik sürtünme kuvveti uygulayabilecek bir sistem var. Biz bu sisteme hiçbir etkide bulunmazsak zaten ''0'' olacaktır bu sürtünme kuvveti çünkü zorlayıcı hareket yoktur. Fakat biz ''1'' Newton büyüklüğünde bir kuvvet uygularsak bu kuvvet de ''1'' Newton olacaktır yani bizim verdiğimize denk bir karşılık verecektir. Biz böyle böyle ''10'' Newton kuvvete kadar çıkarsak göreceğiz ki maksimum sürtünme kuvvetine ulaşıncaya kadar eşit miktarda sürtünmeye maruz kalacağız. İşte bu maksimum kuvvet aşıldığında ise cisim harekete geçecektir ve o noktadan sonra yeni bir sürtünme kuvveti ortaya çıkacaktır: Kinetik sürtünme kuvveti.

Kinetik Sürtünme Kuvveti

Statik sürtünme kuvveti örneğimizde verdiğimiz cisimde, ''10'' Newton büyüklüğünde kuvveti geçmiş bulunmaktaydık. İşte bu maksimum miktardan sonrasında ise cisim hareket edecek ve ivme oluşacaktır. Bu durumda oluşacak olan sürtünme kuvvetine ise ''kinetik sürtünme kuvveti'' adını vermiştik. Statik sürtünme kuvveti, hareketi başlatmamaya yönelik bir kuvvetken; kinetik sürtünme kuvveti ise harekete direnmek üzerine kurulu bir kuvvettir. Moleküler arası etkileşimler aşılıp da yüzeyler birbiri üzerinde kıvrımları çözüldükten sonra oluşan bu kuvvet, yüzeyler birbiri üzerinde kayabilecek olduğundan nispeten daha az olacaktır. Yani bir cismi harekete geçirmek, o cismin hareketini sürdürmekten daha zordur.

Yüzeyler arası elektromanyetik etkileşimler devam etmektedir fakat hareketli yüzeylerin birbirine kenetlenmesi ise diğer duruma göre daha zor olacağından sürtünme kuvveti bir miktar azalacaktır. Yani kenetlenme kaynaklı olan kuvvetlerin bir miktar kaybının sebep olduğu bir azalmadır bu.

Statik ve Kinetik Sürtünme Kuvvetleri Arasındaki İlişki
Statik ve Kinetik Sürtünme Kuvvetleri Arasındaki İlişki

Sürtünme Katsayısı

Statik ve kinetik sürtünme kuvvetini incelediğimizden dolayı bunun, yüzeyler için farklı olma sebebine de değinmek gerekir.

Sürtünme katsayısı; temas eden yüzeylerin hareketine direnen bir kuvvet olan sürtünme kuvvetinin, yüzeyleri birbirine bastıran kuvvetlere olan nispi miktarıdır. Statik ve kinetik olmak üzere iki çeşittir yukarıda işlediğimiz üzere. Boyutsuz ve skaler yani yönsüz bir büyüklük olan sürtünme katsayısı için statik ve kinetik olarak aralarında kıyaslama yapılırsa görülecektir ki statik sürtünme katsayısı, kinetik sürtünme katsayısından daha büyüktür. Bu durum, yukarıda yazdığımız ''harekete başlatmanın, hareketi sürdürmekten zor olmasını'' açıklayan bir durumdur.

Yüzey Durumların göre Statik ve Kinetik Sürtünme Katsayıları
Yüzey Durumların göre Statik ve Kinetik Sürtünme Katsayıları

Çeşitli yüzeylerin özelliklerine göre statik ve kinetik sürtünme katsayılarını gösteren yukarıdaki tabloda da bunun özeti görülecektir.

Bugünkü Bence'mizin de sonunda gelmiş bulunmaktayız. Fizikte çokça bahsedilen ama içeriği hakkında ayrıntıya girilmeyen bir konudan başarıyla söz etmiş ve siz okuyucuların bundan istifade etmesini sağlamışsam bundan büyük mutluluk duyarım. Bir sonraki Bence'mizde görüşmek üzere hoşça kalın.

Sürtünme Kuvveti Hakkında Neler Biliyoruz?
8 Görüş