Normal Kuvvet Nedir?

Hiç çok hızlı yürürken duvara çarptınız mı? Ben çarptım. Biraz canım acıdı ve aptal gibi hissettim. İşte katı cisimlere çarptığımızda hissettiğimiz acının sorumlusu olarak normal kuvveti gösterebiliriz. Normal kuvvet, katı cisimlerin birbirlerinin içinden geçmemesi için yüzeylerin uyguladığı kuvvettir.

Normal kuvvet temas kuvvetidir. İki yüzey birbiriyle temas etmiyorsa birbirleri üzerinde normal kuvvet uygulayamazlar. Örneğin, bir masanın yüzeyiyle bir kutunun yüzeyi eğer masayla kutu birbiriyle temas etmiyorsa normal kuvvet uygulayamaz.

Buna karşın, iki yüzey temas halinde olduğunda (örneğin bir kutu ve bir masa), birbirine temas eden yüzeylere dik olarak bir normal kuvvet uygularlar. Bu normal kuvvet, yüzeylerin birbirine girmesini önleyecek kadar büyük olacaktır.

Normal kuvvet terimindeki "normal" kelimesi, sıradan veya basmakalıp anlamına gelmez. Burada, "normal" kelimesi dik anlamına gelir. Bunun nedeni, genelde $F_n$‍ veya sadece $N$‍ ile gösterilen normal kuvvetin, temas halindeki iki yüzeye dik olan bir kuvvet olmasıdır. Katı nesnelerin birbirinin içinden geçmesini engelleyen şey normal kuvvet olduğundan, kuvvetin yüzeye dik olması akla yatkındır. Yüzeyler, yüzeylere paralel olan temas gerektiren kuvvetler de uygulayabilir; ancak bunları normal kuvvet olarak değil, genelde sürtünme kuvveti (zira yüzeylerin birbirinin üstünden kaymasını önlemeye çalışırlar) olarak adlandırırız.

Çoğu kişi için, aşağıdaki Şekil 3(a)'da görüldüğü gibi, ağır bir köpek maması torbasını elinde taşıyan bir kişinin yukarı yönlü bir kuvvet uygulaması gerekmesi akla yatkındır.

Ancak bazı kişiler, aşağıdaki Şekil 3(b)'de görüldüğü gibi, masa gibi cansız bir nesnenin bir köpek maması torbasına yukarı yönlü normal kuvvet uyguladığına inanmakta güçlük çeker. Bazı kişiler ise, masanın aslında yukarı yönlü bir kuvvet uygulamadığına, sadece aşağı düşmekte olan köpek mamasının ''yolunda durduğuna'' inanır. Ancak Newton yasaları böyle çalışmaz. Eğer köpek mamasına etki eden sadece aşağı yönlü yer çekimi kuvveti olsaydı, köpek mamasının aşağı yönlü ivme kazanması gerekirdi. Masa ''yolunun üstünde durmak''tan fazlasını yapıyor olmalıdır. Köpek mamasının masanın içinden geçerek aşağı düşmesini engellemek için, masa yukarı yönlü bir kuvvet uygulamalıdır.

Garip bir şekilde, eğer bir masaya daha ağır bir nesne koyulursa, masa ağırlığın kendisinin içinden geçmesini önlemek için daha fazla normal kuvvet uygulamalıdır. Masa, nesnenin geçmesini önlemek için uygulanacak doğru kuvvet miktarını nasıl biliyor?

Aslında masa, yüzeyin/nesnenin ne kadar sıkıştırılmış veya deforme olmuş olduğuna dayanarak ne kadar kuvvet uygulayacağını ''bilir''. Katı nesneler deforme olduğunda, genelde kendilerini düzeltmeye ve doğal şekillerine ''geri dönmeye'' çalışırlar. Ağırlık ne kadar büyükse deformasyon o kadar büyüktür ve yüzeyi doğal şekline geri döndürmeye çalışan geri çağırıcı kuvvet o kadar büyüktür. Eğer yük kartondan bir masanın üzerine koyulsaydı bu deformasyon bariz olurdu, ancak katı nesneler bile onlara bir kuvvet uygulandığında deforme olurlar. Nesne sınırının ötesinde deforme olmadığı sürece, bozulmuş bir yayla (veya bir tramplenle veya bir atlama tahtasıyla) benzer şekilde bir düzeltme kuvveti uygulayacaktır. Dolayısıyla yük masanın üstüne koyulduğunda, masa düzeltme kuvveti yükün ağırlığı kadar büyük olana değin hafifçe aşağı doğru eğrilir. Bu noktada, yükteki net dış kuvvet sıfırdır. Bu, yükün masanın üstünde hareketsiz olduğu durumdur. Masa çok hızlı bir şekilde aşağı doğru esner ve bu esneme o kadar azdır ki genelde bunu fark etmeyiz.

Özellikle normal kuvveti bulmak için yapılmış bir formül yoktur. Normal kuvveti bulmak için genelde yüzeylere dik olan ivmeyle ilgili bir şeyler bildiğimiz gerçeğini kullanırız (çünkü yüzeylerin birbirinden geçemeyeceğini varsayarız). Dolayısıyla, bu stratejiyi kullanarak normal kuvveti bulmak için neredeyse her zaman Newton'un ikinci yasasını kullanırız.

Aslında normal kuvveti, normal kuvvetin yüzeylerin birbiri içinden geçmesini önleyecek kadar büyük veya küçük olacağı varsayımıyla buluyoruz.

Bu stratejiyi aşağıdaki basit örneğe uygulayalım. Aşağıda görüldüğü şekilde, kütlesi $m$‍ olan bir kutunun bir masanın üstünde hareketsiz durduğu basit bir durumu düşünelim.

Aşağıdaki prosedürü izleyerek şunu elde ederiz:

Bir nesnenin yatay bir yüzey üstünde durduğu bu basit durumda, normal kuvvet yer çekimi kuvvetine, $F_n=mg$‍, eşit olacaktır.

Normal kuvvet daima $mg$‍'ye eşit olmayacaktır. Temas yüzeyinin yatay olmadığı veya ekstra düşey kuvvetlerin bulunduğu veya düşey ivmenin olduğu daha karmaşık bir durumu düşünürsek; normal kuvvet mutlaka $mg$‍'ye eşit olmaz. Buna karşın, daha karmaşık bir durumda dahi, normal kuvveti yukarıda gösterilmiş olan süreci kullanarak buluruz. Farklı bir ivme koyabiliriz veya dahil edilecek başka kuvvetler olabilir, ancak Newton'un ikinci yasasını kullanarak normal kuvveti bulmak için problem çözme stratejisi genel olarak aynı olacaktır.

İçinde kivi aromalı sakız olan $4,5\text{ kg}$‍ ağırlığında bir paket, bir ofis binasının en üst katına teslim edilmektedir. Kutu, yukarı doğru $a=3,0{\displaystyle \frac{\text{m}}{{\text{s}}^2}}$‍ büyüklükte bir ivmeyle ivmelenen bir asansörün zeminindedir. Teslim eden kişi bir ayağını paketin üstüne dayayarak pakete aşağı yönlü $5\text{ N}$‍ büyüklükte bir kuvvet uygulamaktadır.

Önce, pakete etki eden kuvvetlerin hepsini gösteren bir kuvvet şeması çizeriz (ivme bir kuvvet olmadığı için, şemada ivmeyi göstermeyiz. Ayrıca, ekstra bir asansör kuvveti eklemeyiz, çünkü normal kuvvet asansör tarafından kutuya uygulanan kuvvettir).

Eğer $F_n=mg=44,1\text{ N}$‍ kullansaydık cevap yanlış çıkardı. Buradaki normal kuvvet $mg$‍'den farklıdır çünkü ivme düşeydi ve fazladan düşey bir kuvvet vardı.

Bir kişi, içinde naneli damla çikolatalı kurabiye olan $1,0\text{ kg}$‍ ağırlığında bir kutuyu sürtünmesiz bir masada $\theta ={30}^o$‍ açılı aşağı yönlü çapraz $F_A=10\text{ N}$‍ kuvvetiyle aşağıda görüldüğü gibi itmektedir.

Bu oldukça farklı bir problem türü gibi gözüküyor olsa da, buna daha önceki stratejimizin aynısıyla yaklaşıyoruz. İlk olarak, kutuya etki eden kuvvetlerin hepsinin gösterildiği bir kuvvet şeması çiziyoruz.