YERÇEKİMİ

YERÇEKİMİ. Havaya fırlatılan bir taşın önünde sonunda yere düştüğünü herkes bilir. Ta¬şın düşmesine neden olan, Dünya'nın çekme kuvvetidir ve bu kuvvete yerçekimi kuvveti denir. 17. yüzyılda Sir Isaac Newton, herhan¬gi iki cismin birbiri üzerinde çekim kuvveti uyguladığını bulmuş ve cisimlerin kütlesinden kaynaklanan bu kuvvete kütleçekim kuvveti olarak adlandırmıştır. Yerçekimi de bir tür kütle çekim kuvvetidir.
İÖ 4. yüzyılda yaşamış olan Eski Yunanlı filozof Aristo, ağır cisimlerin hafif olanlardan daha hızlı düştüğünü ileri sürmüştü. Bu dü¬şünce, İtalyan bilim adamı Galileo Galilei'nin (1564-1642), bütün cisimlerin (hava direnci¬nin etkisi bir yana bırakılırsa) aynı hızla düş¬tüğünü ve düşen bir cismin ulaştığı hızın yal¬nızca düştüğü yüksekliğe bağlı olduğunu ka¬nıtlamasına kadar geçerliliğini korudu.
Galileo, düşen cisimlere ilişkin iki yararlı kural buldu. Bunlardan birincisi, düşen bir cismin hızının her saniye, saniyede 10 metre kadar hızlandığıdır. Eğer saniye sayısına t dersek, cisim serbest bırakıldıktan t saniye sonra, saniyede 10x t metrelik bir hıza ulaşa¬caktır. Galileo'nun bulduğu ikinci kural da şudur: Cismin t kadarlık bir süre içindeki or¬talama hızı saniyede 5xt metre olacağından, cisim bu süre sonunda 5xtxt metrelik bir yükseklikten düşmüş olacaktır. 5xtxt, kısaca 5t2 olarak yazılabilir.
Demek ki, düşen bir cismin hızı serbest bı¬rakıldıktan 3 saniye sonra saniyede 3x10=30 metreye ulaşacak ve bu süre içinde cisim 5x3x3=45 metre düşmüş olacaktır.
Ama uygulamada, düşen cisim havanın di¬renciyle yavaşlayacağından, tam olarak bu düşme hızına ve yüksekliğine ulaşılamaz. Va¬kumda (hiç hava bulunmayan bir ortamda) ise bu kurallar tümüyle geçerlidir ve cismin kütlesi düşme hızını etkilemez.
Alman astronom Johannes Kepler (1571- 1630), Danimarkalı arkadaşı Tycho Brahe'nin (1546-1601) gözlemlerinden yararlanarak ge¬zegenlerin Güneş'in çevresinde dolanırken iz¬ledikleri kesin yörüngeleri saptadı; daha son¬ra İngiliz Sir Isaac Newton gezegenlerin bu tür yörüngeler izlemelerinin nedenini açıkla¬yan evrensel kütle çekim yasasını ortaya koy¬du. Newton yasasına göre, evrendeki her madde parçacığı bütün öbür parçacıkları çeker. Çekim kuvveti iki özelliğe bağlıdır: Parçacık kütlelerinin (içerdikleri madde miktarlarının) çarpımına ve araların¬daki uzaklığa. Bu kuvvet, kütlelerin çarpımıyla doğru, aralarındaki uzaklığın karesiyle ters orantılıdır. Buna göre, parçacıklardan birinin kütlesi iki katına çıkarılırsa, çekim kuvveti de ikiye katlanır; ama, parçacıklar arasındaki uzaklık iki katına çıkarılırsa çekim kuvveti dörtte birine iner. Newton bu önemli yasayı Ay'ın Dünya çevresindeki yörüngesini hesap etmek için kullanarak sınadı ve yasa doğru sonuç verdi. Fizikçiler kütle çekim etkileşi¬minden, graviton adı verilen bir parçacığın so¬rumlu olduğunu ileri sürmektedirler.
Yüksekten bırakılan bir gülle, Dünya ile gülle arasındaki çekim kuvveti nedeniyle yer¬yüzüne düşer. Güllenin kütlesi iki katına çıka¬rılırsa kuvvet de iki katına çıkar ama, hızlan¬dırılacak madde miktarı da iki katma çıktığın¬dan gülle (Galileo'nun söylediği gibi) gene ay¬nı hızla düşer.
1820'lerde, o zamanlar Güneş'e en uzak ge¬zegen olarak bilinen Uranüs'ün beklenen yö¬rüngede hareket etmediği keşfedildi. Ya Newton'un yasası yanlıştı ya da Uranüs'ün ötesinde onu çeken bir başka gezegen vardı. Bir İngiliz ve bir Fransız astronom, birbirle¬rinden habersiz olarak, bu bilinmeyen geze-genin izlemesi gereken yörüngeyi hesap etti¬ler ve öteki astronomlara bu gezegeni bulmak için gökyüzünde nereye bakmaları gerektiğini söylediler. Böylece 1846'da Neptün bulundu ve Newton yasası doğrulandı. 1930'da, daha da uzaktaki gezegen Plüton da hemen hemen aynı biçimde keşfedildi.
Kütle çekim kuvveti, her cismin ağırlığı ağırlık merkezi denen bir noktada yoğunlaş¬mış gibi etkide bulunur. Küre ya da küp gibi düzgün cisimlerde bu nokta cismin tam orta¬sında yer alır. Başka cisimlerde ise bu nokta¬nın yeri cismin serbestçe bir ipe asılmasıyla bulunabilir; bu durumda cisim, ağırlık merke¬zi ipin doğrudan altına gelecek biçimde bir konum kazanır.
Bir cismin ağırlık merkezinin yeri bazen önem kazanır. Örneğin yüksek taşıtlar, ağır¬lık merkezleri aşağıda kalacak biçimde tasa¬rımlanır; böylece aracın "havaleli" olması (ağırlığın tepede kalması) önlenir. Böylece ta¬şıt, ancak ağırlık merkezi tekerleklerinin dışı¬na çıkacak kadar yana yatarsa devrilir.
Cismin üzerinde etkiyen kütle çekim kuvve¬tine o cismin ağırlığı denir; kütlesi 1 kilogram (kg) olan bir cismin ağırlığı yaklaşık olarak 10 newton’dur. Konuş¬ma dilinde "ağırlık" kütleyi anlatır. Bir çuval patatesi tarttığımızda çuvaldaki patateslerin ağırlığını (miktarını) buluruz; ama sonucu kütle birimleriyle, örneğin "5 kg" biçiminde ifade ederiz. Ay'da patates çuvalı gene aynı miktarda madde içerir ve kütlesi de gene 5 kg olurdu. Ama, Ay Dünya'dan daha küçüktür; dolayısıyla da kütle çekimi daha azdır (Dünyanınkinin altıda biri kadar). Bu yüzden patates çuvalının Dünya'daki ağırlığının 50 newton olmasına karşılık Ay'daki ağırlığı yaklaşık 8,3 newton olurdu. Astronotlar ağırlıkları daha az olacağı için Ay'da çok daha yükseğe sıçra¬yabilirler.
Dünya ekvator kesiminde daha şişkindir. Bu, Dünya'nın kendi ekseni çevresindeki dönme hareketinin de katkısıyla, kütle çekim kuvvetini azaltır; bu nedenle de bir cismin ek¬vatordaki ağırlığı kutuplardaki ağırlığının bi¬raz daha altında olur.
İki kefeli terazide kütle çekim kuvvetinden yararlanılarak iki cismin kütleleri kıyaslanır; bu nedenle bu tür teraziler her zaman doğru sonuç verir. Ama bir yaylı terazi kütle üzerin¬de etkiyen kütle çekim kuvvetinin yayı ne ka¬dar gerebildiğim ölçer. Bu nedenle kütle çe¬kim kuvveti değiştikçe yaylı terazinin ölçümü de değişir.
Newton kütle çekimiyle ilgili çalışmaları sı¬rasında, yüksek bir kayalığın tepesinden ya¬tay olarak fırlatılan cisimlerin izlediği yolu da inceledi. Bu cisimler yerçekiminin etkisiyle, havada bir eğri çizerek yere düşüyordu. Newton yeterince yüksek bir hızla fırlatılan bir cis¬min yol eğrisinin yeryüzü eğrisiyle aynı olaca¬ğını ve bu cismin tıpkı Ay gibi Dünya'nın çev¬resinde dolanacağını ileri,sürdü. Newton'un bu düşüncesi doğruydu; ama, bu iş için cismin çok hızlı, saatte yaklaşık 28.000 kilometrelik bir hızla atmosferin dışına fırlatılması gereki¬yordu; aksi takdirde cisim karşılaşacağı hava direnci nedeniyle hızla yavaşlayacak ve yere düşecekti. Oysa Dünya'dan yeterince yükse¬ğe çıkarılabilmiş bir cisim hava direnciyle kar¬şılaşmaz ve dolayısıyla da hız kaybetmeksizin Dünya'nın çevresinde birçok kez dolanabilir. Bugün yapma uydu denen ve roketle atmos¬fer dışına gönderilen birçok cisim vardır.
Bir yapma uydunun Dünya'dan yüksekliği, onu yere doğru çeken yerçekimi kuvvetinin büyüklüğünü belirler uydunun hızı, Dünyanın çevresinde belirli bir yörünge üzerinde kalmasını sağlayacak biçimde bu büyüklüğe göre saptanır. Verili bir yükseklik için, uydu¬nun kabaca dairesel bir yörünge çizmesini sağlayacak belirli bir hız düzeyi vardır; bu hı¬zın altında uydu bir sarmal çizerek Dünya' ya düşer. Gene aynı yükseklikte, bu hızın üs¬tündeki bir yörünge hızı uydunun bir elips çi¬zerek Dünya'dan uzaklaşmasına neden olur. Eğer bir cismin hızı dairesel bir yörünge izle¬mesi için gerekli olan hızın kabaca IV2 katı kadarsa, bu cisim hızla Dünya'nın kütle çekim alanının dışına çıkıp uzayın derinliklerine doğru yol alır. Kurtulma hızı denen bu hız, Dünya için saatte yaklaşık 40.000 km, Ay için ise saatte 8.500 kilometredir.