Kuvvet Sistemleri

Mekanik Fizik bilimlerinin en eskisidir. Kaldıraçları ve suyun kaldırma kuvvetini esas alır.

Yazar Serkan Yalçın

Kuvvet Sistemleri

Mekanik Fizik bilimlerinin en eskisidir. Kaldıraçları ve suyun kaldırma kuvvetini kapsayan tarihteki ilk yazılı mekanik prensipler Arşimete M.Ö. 287-M.Ö. 212 aittir. 
Kendisinden sonra gelen ibn-i Heysem, ibn-i Sina, ibn Bacce gibi müslüman bilim adamları ile Galilei, Kepler, Leonardo da Vinci, Varignon, D Alembert, Stevinus, Newton, Lagrange gibi batılı bilim adamlarının çalışmaları sayesinde Mekanik bugünkü seviyesine gelmiştir.

İnsan yaşantısında dün olduğu gibi bugün de mekanik biliminin yeri büyüktür. Suyun akışından tutun da, insanın yaşamını kolaylaştırmak için tasarlanan uçağın uçuşuna, makinelerin çalışmasına kadar tabiattaki bütün hareketler mekanik prensiplerine göre gerçekleşir. başta Makine olmak üzere mühendisliğin tüm uygulamalarında, mekanik bilimi ve prensipleri büyük öneme sahiptir ve bu sahalarda çalışanlar tarafından özümsenmesi gerekir.

Mekaniğin Tanımı Ve Önemi

Mekanik, cisimlere etki eden kuvvet sistemlerini ve bu sistemlerin cisimde oluşturdukları hareketleri grafik ve analitik olarak inceleyen bir bilimdir.

Mekaniğin Uygulama Alanları

nsan yaşantısında mekanik bilgilerinin yeri büyüktür. Bir kapının açılması, vidanın sıkılması, suyun akışı, uçağın uçuşu, otomobilin hareket edebilmesi, insanların her türlü hareketi, makinelerin çalışmaları ve daha sayılabilecek pek çok şey mekanik prensiplerine uyar. Bir kaldıraçtan, zaman ölçmekte kullanılan saate ve en gelişmiş uzay araçlarına kadar her yerde mekanik bilgileri gereklidir. Özellikle teknik öğretim görenlerin yaşantılarının önemli bir bölümü mekanik sistemlerle uğraşmak olacaktır. Bu bakımdan, bütün bilim dallarında olduğu gibi, mekanikte de bilgilerin belli kurallara göre düzenlenmesi ve bölümlenmesi zorunludur. Düzenlenmiş kuralların anlamayı ve yaşantıyı kolaylaştıracağı gerçektir.

Bu alanda çalışan bilim adamları yaptıkları uzun ve hassas çalışmalarla, cisimlerdeki hareketleri birtakım prensiplere bağlamışlardır. Mekanik problemleri ile uğraşan ve bugünkü endüstriyel gelişmelerin temelini oluşturan prensiplerin sahiplerinden, konumuzla ilgili olanların başlıcaları; Aristetle (Aristo), Archlmedes (Arşimet), Newton (Nivton), Pascal (Paskal), Gallleo (Galile),Hooke (Huk), Euler ( OyIer )adlarındaki bilim adamlarıdır.

Mekaniğin Bölümleri

Sıvıların Mekaniği (Hidrostatik)

Hidrostatik hareketsiz sıvıların denge şartlarını inceler. Sıvılar, bulundukları kabın tabanına bir basınç uygular. Ayrıca sıvılar, akıcı özelliği olan ve bulundukları kabın şeklini alan maddelerdir. Pascal (Paskal) prensibi uyarınca, üzerlerine uygulanan basıncı dokundukları yüzeylere aynen iletirler. Bunun sonucunda; küçük bir kuvvet ile büyük bir alanda, büyük bir kuvvet meydana gelir Makinecilikte, basınçlı sıvıların sahip oldukları enerjiden faydalanarak çeşitli hareketler üretmek için kurulan sisteme Hidrolik sistem denir.

Sıvılar, akışkan maddeler olup basınçları olduğu gibi iletirler. Bu nedenle bir sıvı madde, etki ettiği yüzey alanı ile doğru orantılı olarak kuvvet iletir. Şekil 1,1’de görüldüğü gibi hidrolik krikonun sağladığı basınç, sıvı tarafından büyük pistona iletilir ve büyük bir kuvvete dönüşür. Bu özelliğinden dolayı sıvılar; preslerde, kaldırma makinelerinde, pompalarda, hidrolik santralarda vb. basınç ve kuvvet üretimi için kullanılır.

Gazların Mekaniği (Aerodinamik) 

Aerodinamik: Hava ya da gaz halindeki bütün akışkanların hareketlerini inceler. Örneğin; uçakların uçuş veriminin artırılması için, kanatlara verilecek biçimler bu dal ile hesaplanır. Kanatlarının ve bazı bölümlerinin oval bir biçimde yapılması gibi. Gazlar ısı etkisi ile hacim ve basınç değişimi sağlayabilen akıcı ve uçucu maddelerdir. Isıl etkisi ile genleşen bir gaz, silindir ve piston sisteminde motorun çalışmasını sağlar.

Gazların mekaniği, gaz maddenin hacim, sıcaklık ve basınç değişimine göre oluşturduğu kuvvetlerin sonuçlarını inceler.

Katıların Mekaniği 

Kuvvetler etkisi altındaki herhangi bir cisim bütün durumlarda geometrik şekil ve ölçülerini aynen koruyorsa yani bir şekil değişimi ortaya çıkmıyorsa böyle cisimlere "Katı Cisim" denir.

Bununla beraber, hiçbir cisim bu özelliği tam olarak göstermez. Her cisim kuvvet etkisiyle bir miktar şekil değiştirir. Ancak kuvvetin büyüklüğüne ve cismin ölçülerine göre, şekil değişim miktarı önemsenmeyecek kadar küçükse böyle cisimler katı cisim kabul edilebilir. Örneğin, çelik atomları birbirine çok kuvvetli şekilde bağlanmışlardır. Dolayısıyla çelik, kolayca şekil değiştirmez. Bu özelliğinden dolayı birçok makine elemanın malzemesinde çeliği görürüz.

Statik

Statik, kuvvetlerle etkilenen cisimlerin denge durumlarını inceler. Mekaniğin çok eski bir kolu olan statiğin ilk prensipleri eski Mısır ve Babil' de piramitler ve tapınakların yapılmasında kullanılmıştır. İlk yazılı statik prensipleri Arşimet (M. Ö. 287–212) tarafından çubuklara etki eden kuvvetlerin denge durumları için saptanmış ve günümüze kadar gelmiştir. Statik esas gelişmesini 17. yüzyılda Stevinus, Varignon ve Newton gibi bilim adamları önderliğiyle yapmıştır. 

Genellikle, bütün cisimlerin katı cisim olarak kabul edilemeyeceğini daha önce belirtmiştik. Kuvvetlerle yüklenen cisimlerde az veya çok bir şekil değiştirme meydana gelir. Bu şekil değişimi çok azsa önemsenmeyebilir ve sistemin denge durumu hiç şekil değişmesi olmamış gibi düşünülerek incelenebilir. Statikte cisimler üzerinde, kuvvetler etkisiyle meydana gelecek şekil değişikliklerini hiçbir şekilde göz önüne almayacak ve cismi kuvvetler sisteminin etkisi altında tam katı olarak kabul edeceğiz. Cisim üzerinde meydana gelen şekil değişikliklerini incelemek daha çok cisimlerin dayanımı konularına girer. Dayanım bilgisinde, cismin molekülleri veya kristallerinin, kuvvet etkisiyle, bağıl hareketleri göz önüne alınır. Bu tür hareket cisimde şekil değişimini oluşturur.

Sinematik

Fiziğin bir konusu olan sinematik (çok defa kinematik olarak da söylenir) cisimlerin hareketlerini inceleyen bir ilimdir. Sinematikte katı cisimlerin hareketlerini, hareket sebeplerini göz önüne almadan yol (x), zaman(t), hız (v) ve ivme (a) arasındaki bağıntıları inceler.

Statikle kıyaslanacak olursa, sinematik oldukça yeni bir konudur. Hareketlere ait ilk prensipler, bilimsel olarak Galile tarafından saptanmıştır (1564 – 1642). Milattan önce 2000 yıllarında Aristotle tarafından belirlenen, tabii filozofinin, Galile çağlarında bile hiç hata yapmaz olduğu kabul ediliyordu. Deneysel hiçbir özellik göstermeyen tabii filozofiye ait prensipleri, Galile daha 26 yaşındayken kabul etmemeye başladı. Örneğin: "Değişik ağırlıktaki iki cisim aynı yükseklikten bırakılacak olursa farklı zamanlarda yere düşerler" tezini kabul etmedi. Piza kulesinden kitleleri oldukça farklı iki taşı aynı yükseklikten ve aynı anda bırakarak kütle ile düşme zamanını arasında bir bağıntı olmadığını gösterdi.

Galile eğik düzlem üzerinde cisimleri kaydırarak yaptığı deneylerle kuvvet ve ivme arasında bir çeşit bağıntı olduğu sonucuna varmıştı. Fakat zamanın ölçülmesi için istenilen nitelikte saatin yapılmamış olması dolayısıyla deneysel açıklama yapamamıştır. Ancak sınırlı açıklama yapabilmiştir. Daha sonraları, İngiliz bilgini Newton tarafından kuvvet ve ivme arasındaki bağıntılar analitik ve deneysel olarak incelenmiş ve bazı prensiplere bağlanmıştır. Bugün "Newton prensipleri" olarak tanınmaktadır.

Dinamik

Statikte katı cisimleri denge halinde düşünüp bunlara etki eden kuvvet sistemlerini, kinematikte cisimlerin hareketlerini, ağırlıkları ve üzerlerine etki yapan kuvvetleri göz önüne almadan inceler. Dinamikte ise kuvvetlerle etkilenen cisimlerin hareketini ve bununla ilgili olay ve kanunları inceler.

Statiğin oldukça eski bir tarihi olmasına karşın dinamik epeyce yeni bir konudur. Başlangıcı Galile zamanına kadar gider. Genellikle 16. yüzyılın ikinci yarısı dinamiğin doğuş yıllarıdır. Dinamiğin bu kadar geç gelişmesine sebep, deneysel fiziğin henüz bilimsel alanda yer almamış olmasıdır. Dinamik olayların deneysel incelenebilmesi için, kuvvet uzunluk ve zamanın hassas olarak ölçülebilmesi gerekir. Kuvvet ve uzunluk ölçülmesi oldukça basit olduğu için tarihin ilk çağlarında bulunup geliştirilmiştir. Zamanın ölçülmesi ise ancak 17. yüzyılın ortalarında gerekli nitelikte olabilmiştir. Dolayısıyla ufak zaman aralıklarının ölçülmeye başlamasıyla dinamik gelişme ortamı bulmuştur.

Dinamikte, bir cismin veya herhangi bir sistemin uygulanan kuvvetlerle ne tür bir hareket yapıldığı veya yapacağı, istenilen hareketin sağlanabilmesi için uygulanması zorunlu kuvvet sisteminin karakterinin ne olması gerektiğini araştırılır.