Bir Tüy ve Bir Taş Gerçekten Aynı Anda mı Düşer?
Kısa cevapBir tüy ve bir taş gerçekten aynı anda mı düşer? Hava etkisi yoksa ve aynı koşullarda bırakılırlarsa, evet. Peki ağır taş daha güçlü çekildiği hâlde neden kazanamıyor?
Hava Olmasaydı?
Hava olmasaydı, sizce hangisi önce düşerdi? Bir tüy ve bir taş, aynı yükseklikte. Taş daha güçlü çekiliyor. Peki neden kazanamıyor? Önce tahmininizi yapın. Birazdan havayı çıkarıp sonucu göstereceğiz. Sonra da aynı soruyu, Ay'da çekilmiş bir kayıtta sınayacağız. Oradaki yarışmacılardan biri tüy, diğeri çekiç.
Cevap Şimdi, Bilmece Sonra
Solda hava var. Taş önce iniyor, tüy geride kalıyor. Sağda hava etkisi yok. İkisini itmeden bırakıyoruz. Birlikte iniyorlar. Cevabı saklamayalım: Hava etkisi yoksa, aynı koşullarda birlikte düşerler. Şimdi asıl bilmece başlıyor. Ağır taşa daha büyük çekim etki ediyor. Buna rağmen neden öne geçmiyor? Acaba ağır olmak, hızlanmayı da zorlaştırıyor olabilir mi? Bunu birazdan açacağız.
Gözümüz Neden Başka Söylüyor?
Günlük deneyimimiz başka bir şey söyler. Taş pat diye iner. Tüyse sağa sola salınır. Ağır şeylerin daha hızlı düştüğünü düşünmek bu yüzden anlaşılır. Aristoteles de düşüş hızını ağırlıkla ilişkilendirmişti. Bu görüş yüzyıllarca etkili oldu. Ama burada önemli bir ayrıntı var. Gördüğümüz yalnızca yerçekiminin işi değil. Deneyin içinde hava da bulunuyor. Üstelik her cisme aynı şekilde davranmıyor.
Galileo'nun Kısa Devresi
Galileo'nun sorusu şu: Ağır taş gerçekten daha hızlı düşüyorsa ne olur? Bu bir düşünce deneyi. Ağır ve hafif taşı iple bağladığınızı düşünün. Hafif taş yavaşsa, ağır taşı yavaşlatmalı. Ama bağlı ikili, ağır taştan da ağır! O zaman daha hızlı düşmesi gerekmez mi? Aynı düzenek için birbirine zıt tahminler çıktı. İlk fikir kendisiyle çelişiyor. Bu, gerçek düşüşü ölçmek yerine geçmez. Fakat hangi fikri yeniden sorgulayacağımızı gösterir.
Kule Hikâyesi, Belgeli Deney
Pisa Kulesi'nden top bıraktığı hikâyesiyse kesin değil; efsane olabilir. Galileo'nun eğik düzlem çalışmaları belgeli. Eğimli yolda yuvarlanan toplarla, hareketin zamanla değişimini araştırdı. Hareketi yavaşlatmak ölçmeyi kolaylaştırıyordu.
Kâğıdı Değiştirin, Sonucu Değiştirin
Şimdi sıra sizde. Aynı türden, aynı boyutta iki kâğıt alın. Birini buruşturun, diğerini düz bırakın. Hangisi önce iner? Tahmininizi söyleyin. Sonra göğüs hizasından birlikte bırakın. Sandalyeye çıkmayın; ayaklarınız yerde kalsın. Buruşturulmuş kâğıt genellikle önce yere ulaşır. Peki ona fazladan madde mi eklediniz? Hayır. Kâğıdın şekli değişti. Havanın karşısına çıkan yüzeyi küçüldü. Demek ki aynı malzemeyle bile, düşüşün görünüşünü değiştirebiliyorsunuz.
Daha Güçlü Çekiliyor, Ama...
Fakat hava yokken ağır taş neden kazanamıyor? Daha ağır taşı hareketlendirmek daha zor. Dünya da onu daha güçlü çekiyor. Ağırlaşınca, bu iki özellik aynı oranda artıyor. Biri diğerini dengeliyor. Şimdi eşit zaman aralıklarındaki konumlara bakın. Taşlar hep yan yana. Aşağı doğru aralıklar büyüyor: İkisi de hızlanıyor. Aynı sürede aynı miktarda hızlanırlar. Hızın zamanla değişmesine ivme denir. Eşit olan, bu hızlanmadır.
Hafif Hissetmek Başka
Ay'daki astronotları düşünün. Orada daha az ağırlıkları var. Ama içlerindeki madde miktarı, yani kütleleri, yolculukla azalmıyor. Ağır bir ekipmanı hareketlendirmek hâlâ zor. Daha hafif hissetmek, daha kolay hızlanmakla aynı şey değil. Astronotların adımlarında çekimin yanında giysilerinin de payı var. Bu yüzden yalnız görüntüye bakıp bütün farkları tek nedene bağlamıyoruz. Güzel bir görüntü, dikkatli açıklama ister.
Kâğıt Kitabın Üstündeyse?
Peki düz kâğıt mutlaka geride mi kalır? Şimdi onu geniş, hafif bir kitabın üstüne koyduğunuzu düşünün. Kâğıt taşmasın. İkisini yatay tutup birlikte bırakırsanız ne beklersiniz? Önce cevabınızı seçin. Kâğıt çoğu denemede kitapla beraber iner. Çünkü kitap, alttan gelen hava akışının kâğıda etkisini azaltır. Kâğıdın ağırlığı değişmedi. Ortamla karşılaşması değişti. Bunu deneyecekseniz alçaktan, yumuşak zemine bırakın. Ayaklarınızı ve kırılabilecek eşyaları uzak tutun.
Görünmeyen Fren
Hava, içinden geçen cisimlerin hareketine karşı koyar. Bu etkiye hava direnci diyoruz. Şekil, havaya sunulan yüzey ve havaya göre hız önemlidir. Havanın yoğunluğu da sonucu etkiler. Tüyün kütlesine göre yüzeyi çok büyüktür. Bu yüzden havanın etkisi, düşüşünü kolayca değiştirir. Taşınsa kütlesine göre yüzeyi küçüktür. Burada hava görünmeyen bir fren gibi çalışıyor. Ama frenin gücü sabit değil.
Düşüyor, Ama Hızlanmıyor
Yağmur damlası düşerken hızlandıkça, havanın karşı koyması da genellikle büyür. Sonunda yukarı yönlü direnç, aşağı yönlü ağırlığı dengeleyebilir. Damla durmaz. Düşer, ama hızı artık artmaz. Buna son hız denir. Yani kuvvetlerin dengelenmesi, hareketsizlik demek değildir. Sabit hızla hareket de olabilir. Buradaki damla ve oklar şema. Gerçekte damlanın boyutu, şekli ve rüzgâr da önemlidir.
Paraşüt Neyi Değiştiriyor?
Karnı yere dönük bir paraşütçü, yaklaşık saatte iki yüz kilometreye ulaşabilir. Bu evrensel bir sınır değil. Duruşu ve hava koşulları sonucu değiştirir. Paraşüt açılınca havaya sunulan yüzey büyür. Direnç artar; paraşütçü yavaşlar. Bir anda durmaz. Daha düşük bir son hıza yaklaşır. Tüyün yavaş inişinde de aynı temel yarış vardır: Aşağı çeken ağırlık, yukarı yönlü hava direnci.
Peki Gerçek Deney?
Havayı azaltmak, bu freni zayıflatmanın bir yolu. Laboratuvarlarda bunun için havası boşaltılan odalar kullanılır. Tamamen kusursuz boşluk oluşturmak kolay değildir. Yine de hava etkisi çok küçültülebilir. Bizim canlandırmamız ideal koşulu gösterdi. Gerçek deneydeyse bırakma anını, yüksekliği ve ölçümün sınırlarını kontrol etmek gerekir. Ekranda birlikte görünmek, sonsuz hassasiyetli bir ölçüm değildir. Bilim, sonucuyla birlikte sınırını da söyler.
Masanızdaki Soru, Ay'da
Sizin masada sorabileceğiniz bu soru, Ay'da da sınandı. Yıl 1971. Apollo 15 görevinde astronot David Scott, bir çekiç ve şahin tüyü kullandı. Şimdi NASA'nın görev kaydına geçiyoruz. Etrafında bir deney tüpü yok. Çünkü Ay'ın son derece seyrek gaz örtüsünün direnci burada ihmal edilebilir. Scott'ın yüzünü değil, ellerini izleyin. Birazdan iki nesneyi de serbest bırakacak.
Şimdi Yalnızca İzleyelim
Bir elinde çekiç, diğerinde tüy. Yaklaşık aynı yükseklikteler. Son tahmininiz ne? Dünya'da görmeye alıştığınız sonuç burada da çıkacak mı? Şimdi yalnızca izleyelim. Tüy süzülmeden indi. Çekiçle birlikte zemine ulaştığını görüyoruz. Bu kayıt, beklediğimiz ortak düşüşü gösteriyor. Ayrıntıları, görüntünün seçebildiği hassasiyetle değerlendiriyoruz.
Ay'da Neden Daha Yavaş?
Peki Ay'da düşüş neden daha uzun sürer? Ay yüzeyindeki çekim, Dünya yüzeyindekinin yaklaşık altıda biri. Aynı yükseklikten durgun bırakılan cisimler, orada daha uzun sürede iner. Karşılaştırmada Dünya'daki hava etkisini de dışarıda tutuyoruz. Daha zayıf çekim, düşüş süresini uzatır. Fakat tüyü ayrı, çekici ayrı kayırmaz. Ay'da da çekim var; bu deney onun sayesinde gerçekleşiyor.
Net Cevap
Hava etkisi yoksa, aynı koşullarda bırakılan tüy ve taş birlikte düşer. Evde gördüğümüz farkı hava yaratır. Serbest düşüşün bu ortaklığı, Einstein'ın çok sonra geliştirdiği genel görelilik teorisinin başlangıç taşlarından biridir. Bugünlük o kapıyı aralık bırakalım.
Gökyüzü Neden Mavi?
Düşüşü değiştiren hava, ışığın yolculuğunu da değiştiriyor. Peki gökyüzü neden mavi, gün batımı neden kırmızı? Aynı Güneş'ten gelen ışığa, yolda ne oluyor? Muhteşem Fizik'in sonraki bölümünde, başımızın üzerindeki bu renklerin peşine düşüyoruz.
Kaynaklar
- Hava etkisi ihmal edildiğinde aynı yerel çekim alanında, aynı başlangıç koşullarındaki cisimler kütlelerinden bağımsız aynı serbest düşüş ivmesine sahiptir.OpenStax, University Physics Volume 1, 3.5 Free Fall
- Daha büyük kütle daha büyük çekim kuvvetiyle birlikte hız değişimine daha büyük direnç getirir; ikisi aynı oranda artar.OpenStax, University Physics Volume 1, 5.4 Mass and Weight
- Aristoteles düşüş hızını ağırlık ve ortamla ilişkilendiriyordu. Galileo'nun bağlı taşlar düşünce deneyi bu tür ağırlık-hız varsayımındaki çelişkiyi gösterir.Aristoteles, Fizik, IV. kitap, 8. bölüm; Galileo Galilei, İki Yeni Bilim Üzerine Konuşmalar, Birinci Gün; Stanford Encyclopedia of Philosophy, Thought Experiments
- Pisa Kulesi anlatısı kesin tarihsel olay olarak sunulmamalıdır. Galileo'nun eğik düzlem çalışmaları ve hareket ölçümleri belgelenmiştir.Stanford Encyclopedia of Philosophy, Galileo Galilei: ; Galileo Galilei, İki Yeni Bilim Üzerine Konuşmalar, Üçüncü Gün.
- Hava direnci şekle, havaya sunulan alana, bağıl hıza ve hava yoğunluğuna bağlıdır. Kâğıdı buruşturmak kütleyi yaklaşık korurken hava etkileşimini değiştirir.NASA Glenn, Drag Equation: ; OpenStax, University Physics Volume 1, 6.4: https://openstax.org/books/university-physics-volume-1/pages/6-4-drag-force-and-terminal-speed
- Son hızda ağırlık ile direnç yaklaşık dengelenir; sabit koşullarda cisim durmak yerine sabit hızla düşebilir.NASA Glenn, Terminal Velocity: ; OpenStax, University Physics Volume 1, 6.4.
- Karnı yere dönük paraşütçü için yaklaşık 200 km/sa tipik bir hız mertebesidir, evrensel sınır değildir.Encyclopaedia Britannica, Skydiving: ; yüzüstü duruş için yaklaşık 120 mil/sa mertebesinin yuvarlanmış metrik karşılığı kullanılmıştır.
- 1971'de Apollo 15 astronotu David Scott, Ay'da çekiç ve şahin tüyünü bıraktı; kayıt ortak düşüş ve birlikte iniş gösterir.NASA, The Apollo 15 Hammer-Feather Drop: ; NASA Apollo Lunar Surface Journal: https://www.nasa.gov/history/alsj/a15/a15.html
- Ay yüzeyindeki çekim Dünya yüzeyindekinin yaklaşık altıda biridir. Ay'ın son derece seyrek gaz örtüsünün direnci bu deneyde ihmal edilebilir.NASA Moon Facts
- Aynı yükseklikten sıfır başlangıç hızıyla bırakmada daha zayıf çekim daha uzun düşüş süresi verir; Dünya-Ay karşılaştırmasında hava etkisi dışlanmalıdır.OpenStax, University Physics Volume 1, 3.5 Free Fall
- NASA, testler için havası boşaltılan büyük odalar kullanır. Bu tesis görüntüleri videodaki tüy-taş deneyinin gerçek kaydı değildir.NASA Glenn Research Center, Space Environments Complex / Space Power Facility tesis bilgileri
- Serbest düşüşün evrenselliği, eşdeğerlik ilkesi üzerinden genel göreliliğin temelindeki fikirlerdendir.Einstein Online, Max Planck Institute for Gravitational Physics, The equivalence principle
- Atmosferin ışığı saçması gökyüzünün mavi, gün batımının kırmızı görünmesinde belirleyicidir.NASA Space Place, Why Is the Sky Blue?
- NASA arşiv materyalinin kökeni, üçüncü taraf hakları ve kullanım koşulları dosya bazında doğrulanmalıdır.NASA Images and Media Usage Guidelines
