Terazide bir şey tartarken kullanılan, "bir kilo" denilen demir parçası bazen başka işlere de yarar: Çivi çakmak, ceviz kırmak gibi İster tartmada ister öteki işlerde olsun faydalanılan şey, o demir parçasının sanki adı gibi değişmez bir özelliğidir: Kütlesi Zaten "Bir kilo" diye anılmasının nedeni, kütlesinin 1 kilogram yani 1000 gram olması (1 kg=1000 g) Dünya üzerinde nerede, hatta hangi uydu veya gezegende bulunursak bulunalım, neyin etrafında dönüyor, ne kadar hızlı veya yavaş gidiyor olursak olalım, yanımızda taşıdığımız "bir kilo"nun kütlesi daima 1 kg olarak kalacak ve çivi çakmak gibi kinetik enerjisinin kullanıldığı işlerde daima aynı derecede işimize yarayacaktır
Kütle bir Maddenin değişmez kimliğidir Maddenin korunumu kütlenin değişmemesi ile eşdeğerdir (Bu arada, bizim de bir madde olarak kütlemizin değişmemesi, örneğin 72 kg değerini koruması beklenir Ancak canlıların, canlı kalabilmek için gerekli olan çevreyle besin ve atık alışverişi yüzünden kütleleri değişir Büyüme, zayıflama, "kilo" alma vb, bu değişmelere verdiğimiz isimlerdir) Her maddenin, küçük veya büyük olsun, kendine özel bir kütlesi vardır Bu yüzden madde yerine kütle de diyebiliriz
Kütleyi tanıdıktan sonra, onunla en çok karıştırılan ağırlık kavramına geçmemiz beklenirdi Her ne kadar ağırlık yerçekimi olmadan da tanımlanabilecek bir olgu ise de, hemen her zaman yerçekimi ile ilişkili olarak algılandığı için, önce şu yerçekimi, daha genel adıyla kütlesel çekim üzerinde durmak yerinde olur
Nedir Kütlesel Çekim
Maddeler (kütleler) birbirini çeker Yani bir madde bir başkasına onu kendisine doğru gelmeye zorlayan bir kuvvet uygular; bunu aralarında yay, ip, hava gibi hiçbir bağlayıcı ortama gerek olmadan yapar Öteki madde de aynı şekilde birincisini, onu kendine doğru gitmeye zorlayıcı, aynı büyüklükte (tabii ki ters yönde) bir kuvvetle çeker Örneğin, Dünya bir tenis topunu aşağı doğru bir kuvvetle çekerken, tenis topu da Dünya'yı yukarı doğru aynı büyüklükte bir kuvvetle çeker Bu birbirine denk çekme kuvveti, iki maddenin de kütleleri ile doğru orantılıdır Yine bu kuvvet iki kütlenin sanki birbirlerini "gördükleri" sanal büyüklükle de orantılıdır Örneğin, 1 m uzaktaki tenis topu 2 m uzağa gidince sanki eskisinin dörtte biri kadarmış gibi gözükür 100 m uzakta, yani onbinde bir küçüklükte ise topu görmekte güçlük çekeriz Çekim kuvveti de o oranda, yani uzaklığın karesi ile ters orantılı olarak değişir
Yani 1 m uzaktaki tenis topunu, kütlemizden dolayı çektiğimiz kuvvet, 100 m uzakta onbinde bire düşer Fakat bizimle top arasındaki bu kuvvet çok yakında bile o kadar küçüktür ki, top hiç de bize doğru yaklaşmaya tenezzül etmez, sanki Ancak, kütlelerden hiç değilse biri çok büyükse çekim kuvveti önemli bir büyüklüğe ulaşır Örneğin, bizim yerimize Dünya'yı alırsak, onun çekim kuvveti (yani topa etki eden yerçekimi) bizimkinden o kadar büyüktür ki, elimizden bıraktığımız top bize yaklaşmaktansa Dünya'ya yaklaşmayı (düşmeyi) tercih eder
Çekim kuvvetini belirleyen uzaklık iki cismin kütle merkezleri arasındaki uzaklıktır Dünya ve üzerindeki topu alırsak bu uzaklık Dünya'nın ortalama yarıçapından çok az farklıdır (6371 km) Onun için, deniz seviyesinde veya yükseklerde, ekvatorda veya kutuplarda olmak pek fazla değiştirmez Dünya'nın bize uyguladığı çekim kuvvetini Yaklaşık olarak 1 kg kütleye bu ortalama uzaklıkta 9,83 N (Newton) etki eder Benim kütleme göre İstanbul'da, örneğin 700 N kuvvetle çekiliyorsam, Antarktika kıyılarında ancak 5 N daha fazla, Everest zirvesinde 2 N daha az bir çekim kuvvetine maruz kalacaktım
Peki daha uzaklarda? Yer'den 240 km yüksekte (herhangi bir uydu uzaklığında) 650 N, 36 000 km de (yer istasyonu uzaklığında) 22 N, Ay uzaklığında 0,19 N; yani uzaklığın karesiyle azalan bir kuvvet, ama yine de sıfır değil Dünya yerine başka büyük kütleleri alırsak, örneğin Ay yüzeyinde 115 N, yani Dünya'dakinin 1/6'sı, Merih'te (Mars) 0,4, Müşteri'de (Jüpiter) 2,7, Güneş'te 28 katı Tipik bir nötron yıldızı üzerinde ise, Dünya'dakinin 1012 katı kuvvetle çekiliyor olacaktım; çünkü Güneş kadar büyük bir kütleye, nötron yıldızının ancak birkaç kilometre olan yarıçapı kadar yaklaşmış bulunacaktım Yalnız, yaklaşırken başımla ayaklarım arasındaki çekim kuvveti farkı o kadar büyüyecek ki, daha yıldıza erişmeden çok önce, pişmaniye haline gelmiş olacaktım
Bereket versin, Dünya'dan pek fazla ayrılmadıkça bu büyük kütlelerin çekimi ihmal edilecek kadar az Örneğin, Ay beni şimdi ancak 0,0023 N, Güneş ise 0,41 N kadar çekebiliyor Yine de bu küçük kuvvetler gel-git olaylarının başlıca nedeni
Dikkat ederseniz, yerçekiminden söz ederken ağırlığa hiç başvurmadık Çekim kuvveti ile statik ağırlık arasında önemli ve nazik bir ilişki var; ileride göreceğiz Ağırlığa geçmeden önce son bir söz: Kütlesel çekim kuvveti de, cisimler arasındaki uzaklık aynı kaldığı sürece değişmeyen bir büyüklük Yani 240 km yüksekte bulunduğum sürece, bana etki eden yerçekimi kuvveti daima 650 N olarak kalacaktı; ister orada duruyor olayım, ister dairesel bir yörüngede hareket ediyor olayım, hep 650 N ile çekiliyor olacaktım
Ve Ağırlık
Ağırlık ve kütle, çoğu zaman birbiri ile karıştırılan veya alışkanlıkla birbiri yerine kullanılan iki farklı kavram Ağırlık aslında kuvvet birimi ile ölçülür Pratikte, terazi denilen bir karşılaştırma aracı ile "tartma" sonucu elde edilen bir büyüklük olarak bilinirse de, bu yanlış Aslında basit, eşit kollu terazide iki kefeye konan kütleler karşılaştırılır Eğer kol yatay durumda dengede durabiliyorsa etki eden ağırlık kuvvetleri dengededir Bunun için de kütlelerin eşit olması gerekir O halde "bir kilo" ile dengede olan patatesin kütlesi de 1 kg'dır
Ya ağırlığı? Bu tür teraziyle ağırlık tayin edilemez Kütle ile ağırlık arasındaki ilk karışıklık ta bundan doğar Tartma sonucunu "patatesin ağırlığı bir kilo" diyerek açıklarız Halbuki "patatesin ağırlığı bir kilonun ağırlığına eşit" dememiz gerekirdi ki, ikisini de henüz bilmiyoruz Bu yanlışlık günlük alışverişimize, banyo terazimize kadar girmiştir Yakın bir geçmişe kadar kütle ve onun ağırlığı aynı skalada gösterilmeye çalışılmış, yine de, birine kg-kütle ötekine kg-kuvvet gibi isimler bile verilse, mekanik öğrenenlerin kâbusu olmaktan kurtulamamıştır Hâlâ hiç kimse (fizikçiler dahil) size ağırlığından söz ederken "700 Newton çekiyorum" demez; "72 kiloyum" der "Nedir bu 72 kilo?" sorusuna hiç kimseden "Kütlem" cevabını alamazsınız, isterseniz deneyin
Bu yanlışlıklar yalnızca dilimizde kaldığı, anlayışımızı etkilemediği sürece zarar yok Zaten, Dünya üzerinden fazla ayrılmadıkça ağırlık da pek değişmiyor; ha kütle ha ağırlık Fakat konu ağırlıksız olmaya dayanınca daha dikkatli olmak gerek Çünkü ağırlıksız olunduğu söylenilen durum ve şartlarda artık neyin kütle, neyin çekim kuvveti veya ağırlık olduğunu açık seçik bilmekten başka çare yok
Kütlenin hiç değişmediğini, çekim kuvvetinin ise, kütleler arası uzaklık aynı kaldığı sürece değişmediğini gördük Ayrıca, uzaklık arttıkça çekim kuvvetinin hızla küçüldüğünü, fakat asla sıfır olmadığını da biliyoruz Deneyimlere dayanarak bildiğimiz başka şeyler de var "Ağırlıksız" denilen şartlarda, örneğin bir yapay uydu kapsülünde (veya halatı kopmuş asansör kabininde) hiçbir yere dayanmadan, dokunmadan kapsüle göre durumumuzu koruyabiliyoruz; kullandığımız aleti elimizden bırakınca sanki bıraktığımız yerde boşlukta kalıyor Dikkatle düşünürsek "ağırlıksız" olmak, etkisinden hiçbir şekilde kurtulamayacağımızı bildiğimiz yerçekimi kuvveti hariç, başka hiçbir kuvvete maruz olmamak gibi bir durum Yani sadece ve sadece, kütlesel çekim kuvvetinin altında isek, ister duruyor 'herhangi bir anda) ister hareket ediyor olalım, ağırlığımız olmayacak Örneğin tramplenden havuza atlarken, ayaklarımız trampleni terkettiği andan suya ilk dokunduğumuz ana kadar, (hava ile sürtünmeyi ihmal edersek) hiçbir yerden destek almadan sadece yerçekimi altındayızdır
Önce yükselir bir noktada bir an durur, sonra aşağı doğru gittikçe hızlanarak düşeriz Bu sırada bir ağırlığımız olduğunu bize hissettirecek başka hiçbir kuvvet yoktur Halbuki, ayakta dururken (veya otururken) her bir parçamız, yerçekiminden dolayı düşmesini önleyecek belli bir kuvvetle yukarı itilerek dengelenir Bu kuvvetleri ise biz toptan ağırlığımız olarak algılarız: En çok ayaklarımızla, en az başımızla (tepe üstü durduğumuz zaman da tersine en çok başımız, en az ayaklarımızla)
Asansörle çıkıyor veya iniyorsak ağırlığımız değişir Kabine girip çıkış düğmesine basıncaya kadar hareket etmeyiz Yerçekimi, döşemeden ayaklarımızı yukarı iten kuvvetle (hemen hemen) dengededir ve bu itme kuvvetini biz normal ağırlığımız olarak algılarız Düğmeye basınca, döşeme bizi daha büyük bir kuvvetle yukarı iterek hızlandırır, bunun için de kendimizi daha ağır hissederiz Kabin hızı sabit değerini alınca ağırlığımız yine normale döner Duracağımız kata yaklaşırken kabin yavaşlar, döşeme kuvveti azalır, kendimizi daha hafif hissederiz (biraz boşlukta gibi) Durduktan sonra her şey normal değerine döner İnişte olay ters yönde tekrarlanır: Önce hafifleme, sonra normal, sonra ağırlaşma ve nihayet normale dönüş Çabuk hızlanan veya halatı kopan bir kabinde neler hissedeceğimiz belli artık Birincide daha çok ağırlık, ikincide neredeyse sıfır ağırlık
Mekik-uydu içindeki durumu da analiz etmek mümkün Mekik personel deney aletleri ve Dr Nurcan Baç'ın zeolitleri (bk Bilim ve Teknik 345, s 8-11), her şey hemen hemen aynı yörünge üzerinde, isterlerse birbirlerine hiç dokunmadan, yani sadece yerçekimi altında hareket etmektedir Başka kuvvet gerekmediği için ağırlıkları yoktur; hem de çok uzun bir süre Böylece zeolit kristalleri en özgür ortam içinde büyüyebilir Dünya üzerinde ise ancak bir düşme kulesinde, kabini yukarı fırlatıp tekrar dibe düşünceye kadar, birkaç saniyelik bir ağırlıksız durum yaratabilecektik