Newton'un Birinci Yasası Nedir?

Galileo ve Newton'dan önce, çoğu kişi nesnelerin doğal bir eğilim dolayısıyla yavaşladığını düşünürdü. Ancak bu kişiler, dünyada nesnelerin hızlarını değiştirmesine neden olan pek çok kuvveti (örneğin sürtünme, yer çekimi ve hava direnci) dikkate almıyorlardı. Eğer yıldızlar arasındaki uzayda bir nesnenin hareketini inceleyebiliyor olsaydık, nesnenin herhangi bir dış etkiye maruz kalmadan hareket etmesindeki doğal eğilimi gözlemleyebilirdik. Yıldızlar arasındaki uzayda, eğer bir nesne hıza sahipse, harekete etki eden bir kuvvet olmadığı sürece nesnenin bu hızla hareket etmeye devam ettiğini gözlemlerdik. Benzer şekilde, eğer yıldızlar arası uzayda bir nesne duruyor ise, durumunu değiştirecek bir kuvvet olmadığı sürece bu nesne durmaya devam edecektir.

Aşağıdaki videoda, bir kuvvet uygulanana kadar, uluslararası uzay istasyonundaki nesnelerin ya hareketsiz kaldığını ya da uzay istasyonuna göre sabit hızla devam ettiğini görebiliyoruz.

Nesnelerin bir kuvvet dolayısıyla yalnızca hızlarının değiştiği fikri, Newton'un birinci yasasının özüdür.

Newton'un birinci yasası: Net bir dış kuvvet etki etmediği sürece, duran bir nesne durmaya veya hareket eden bir nesne sabit hızla hareket etmeye devam eder.

Burada ''devam etme'' fiilinin önemli olduğuna dikkat edin. Bu yasayı, hareketin durumu neyse onu korumak olarak düşünebiliriz. Newton’un birinci hareket yasası, hızda herhangi bir değişiklik (büyüklüğünde veya yönünde bir değişiklik) olması için, bir neden (yani net dış kuvvet) olması gerektiğini söyler. Bir masanın veya zeminin üstünde kaymakta olan bir nesne, bu nesneye etki eden net sürtünme kuvveti dolayısıyla yavaşlar. Ancak bir hava hokeyi masasının üstünde (burada hava topun masaya değmesini engellemektedir), hava hokeyi topu kendisine etki eden bir kuvvet olmadığı sürece (örneğin topun masanın kenarına çarpması) yaklaşık sabit hızla hareket etmeye devam eder.

Kuvvet, bir nesnenin bir başka nesneye uyguladığı itme veya çekmedir. Kuvvet $(F)$‍ birimi Newton olarak adlandırılır ve $\text{N}$‍ kısaltmasıyla gösterilir.

Dış kuvvet nesnenin içinden değil, dışından kaynaklanan bir kuvvettir. Örneğin, Dünya'nın yer çekimi kuvvetinin Ay'a uyguladığı kuvvet, Ay için bir dış kuvettir. Ancak Ay'ın iç çekirdeğinin dış katmanlarına uyguladığı yer çekimi kuvveti, Ay için bir iç kuvvettir. Bir nesnenin içindeki iç kuvvetler, bu nesnenin toplam hareketinde bir değişikliğe neden olamaz.

$\mathrm{\Sigma }F$‍ olarak yazılan, bir nesneye etki eden net kuvvet, bu nesneye etki eden toplam kuvvettir. Eğer bir nesneye etki eden pek çok kuvvet varsa, net kuvvet tüm kuvvetlerin toplamıdır. Kuvvet $(F)$‍ bir vektör olduğundan, net kuvveti $(\mathrm{\Sigma }F)$‍ bulmak için kuvvetlerin -vektör toplama yöntemi kullanılarak- vektörler gibi toplanması gerektiğine dikkat edin.

Başka şekilde ifade edersek, eğer bir dondurulmuş patates ambalajına sağa doğru uygulanan $45\text{ Newton}$‍ büyüklükte bir kuvvet ve sola doğru uygulanan $30\text{ Newton}$‍ büyüklükte bir kuvvet varsa, yatay yönde uygulanan net kuvvet şöyle olacaktır:

Newton'un birinci yasası, eğer bir nesneye uygulanan net kuvvet sıfır ise ($\mathrm{\Sigma }F=0$‍) bu durumda nesnenin ivmesinin sıfır olacağını söyler. Bu, nesnenin mutlaka hareketsiz olduğu anlamını taşımaz; hızın sabit olduğunu belirtir. Farklı şekilde ifade edersek, "sabit sıfır hız" (hareketsiz) veya "sabit sıfır olmayan hız" (sabit hızla hareket etme).

Buna göre, donmuş patates ambalajı için, eğer sağa doğru kuvvetin büyüklüğü $45\text{ N}$‍ ve sola doğru kuvvetin büyüklüğü $45\text{ N}$‍ olsaydı, net kuvvet sıfır olacaktı. Dolayısıyla, eğer kuvvetler uygulanmadan önce ambalaj bir hıza sahipse sabit hızla hareket etmeye devam edecekti; veya eğer kuvvetler uygulanmadan önce duruyor ise durmaya devam edecekti.

Bir nesnenin hareketsiz kalmaya devam etmesi veya sabit hızla hareketine devam etmesi eylemsizlik olarak adlandırılır. Newton’un birinci yasası genellikle eylemsizlik yasası olarak adlandırılır. Kendi deneyimlerimizden bildiğimiz gibi, bazı nesnelerin eylemsizliği daha fazladır. Örneğin, büyük bir kayanın hareketini değiştirmek bir basketbol topuna kıyasla çok daha zordur.

Bir nesnenin eylemsizliği, bu nesnenin kütlesiyle ölçülür. Kütle, bir nesneyi ivmelendirmenin ne kadar zor olduğu ölçülerek belirlenebilir. Bir nesnenin kütlesi ne kadar fazlaysa nesneyi ivmelendirmek o kadar zordur.

Ayrıca, kabaca söylersek, bir şeyde ne kadar ''şey'' (veya madde) varsa, kütlesi o kadar büyük olacaktır ve hızını değiştirmek (yani ivmelendirmek) o kadar zor olacaktır.

Bir uzay aracı, derin yıldızlar arası ortamda motorları kapalı şekilde sağa doğru sabit bir hızla sürüklenmektedir (araç gezegenlerin veya yıldızların etkisi olmayacak kadar uzaktadır). Eğer aracın iki motoru aynı anda çalıştırılır ve aşağıda gösterildiği gibi bir motor sola doğru diğer motor sağa doğru birbirine eş kuvvet uygularsa, aracın hareketine ne olacaktır?

a. Uzay aracı sabit hızla devam edecektir.
b. Uzay aracı hızlanacaktır. c. Uzay aracı yavaşlayacak ve sonunda duracaktır.
d. Uzay aracı hemen duracaktır.

Doğru cevap a şıkkıdır. Newton'un birinci yasasına göre, bir nesnenin hızını değiştirmek için sıfır olmayan bir net kuvvet gerekir. Uzay aracına etki eden net kuvvet sıfırdır (çünkü etki eden kuvvetler birbirini götürür), dolayısıyla aracın hızında değişiklik yoktur.

Bir asansör aşağıdaki şemada görüldüğü gibi bir kabloyla sabit hızla yukarı doğru çekilmektedir. Asansör sabit hızla yukarı doğru hareket ederken, kablonun asansöre uyguladığı yukarı yönlü kuvvetin büyüklüğü $F_c$‍ ile asansöre etki eden aşağı yönlü yer çekimi kuvveti $F_g$‍ arasındaki ilişki nedir?

a. $F_c$‍ büyüktür $F_g$‍.
b. $F_c$‍ eşittir $F_g$‍.
c. $F_c$‍ küçüktür $F_g$‍.
d. Asansörün kütlesine bağlı olarak, $F_c$‍ $F_g$‍'den büyük veya küçük olabilir.

Doğru cevap b şıkkıdır. Eğer asansör sabit hızla hareket ediyorsa, net kuvvet sıfır olmalıdır. Asansöre etki eden net kuvvetin sıfır olabilmesi için, yukarı yönlü ve aşağı yönlü kuvvetler birbirini tam olarak götürmelidir.

Bir uzay aracı, derin yıldızlar arası ortamda motorları kapalı şekilde sağa doğru sabit bir hızla sürüklenmektedir (araç gezegenlerin veya yıldızların etkisi olmayacak kadar uzaktadır). Eğer bir motor aşağıda gösterilen yönde kısa süreli bir kuvvet uygular ve sonra durursa, uzay aracının motor durduktan sonraki rotasını en iyi temsil eden aşağıdakilerden hangisi olacaktır?

a. Yol a
b. Yol b
c. Yol c
d. Yol d

Doğru cevap c şıkkıdır. Uydunun motoru durduğunda, uyduya etki eden net kuvvet olmayacaktır. Net kuvvet sıfır olduğunda, hız (hem büyüklüğü hem yönü) sabit olmalıdır. Dolayısıyla, Newton'un birinci yasasına göre, uzay aracı düz bir çizgi üstünde sabit süratle hareket eder. Uzay aracına etki etmiş olan düşey bir kuvvet olması, aracın yatay hızını etkilemez; yalnızca düşey hızı değiştirir. Sabit düşey ve yatay hız, uzayda köşegen düz bir çizgi verir.