10. Sınıf Fizik · Ünite 1
Serbest Düşme: Kütle Gerçekten Önemli mi?
Havasız ortamda serbest düşmeye bırakılan farklı kütleli cisimlerin ivmelerini ve hız değişimlerini inceliyor, yer çekimi ivmesinin sırlarını keşfediyoruz.
Kazanım FİZ.10.1.4 · 40 dk okuma
Ay'da Bir Tüy ve Çekiç Bıraksak Ne Olur?
Günlük hayatta aynı yükseklikten bir taş ve bir kuş tüyünü serbest bıraktığımızda, taşın çok daha önce yere düştüğünü görürüz. Bu gündelik gözlem, tarih boyunca pek çok insanın 'Ağır cisimler daha hızlı düşer' yanılgısına kapılmasına neden olmuştur. Ancak buradaki asıl aktör kütle değil, cisimlerin hareketini zorlaştıran 'hava direnci'dir.
Serbest Düşme ve Yer Çekimi İvmesi
Sürtünmelerin (hava direncinin) ihmal edildiği bir ortamda, ilk hızı sıfır olan ve sadece ağırlığının (yer çekimi kuvvetinin) etkisiyle hareket eden cisimlerin yaptığı harekete 'serbest düşme' diyoruz. Sınıfta şöyle bir tartışma başlatabiliriz: 'Kamyon otomobilden daha ağırdır, havasız ortamda uçurumdan düşerlerse kamyon daha mı çok ivmelenir?' Newton'un yasalarını hatırlayın; kütle artsa da kütle çekim kuvveti de aynı oranda artar. Sonuç olarak kütleler sadeleşir ve cismin ivmesi sadece yer çekimi ivmesine eşit olur. Serbest düşen cisimlerin ivmesi sabit kabul edilir ve kütleden tamamen bağımsızdır.
Hız ve Zaman Arasındaki İlişki
İvmenin tanımı, hızdaki birim zamandaki değişimdir. Yer çekimi ivmesi g=10 m/s² olarak kabul edildiğinde, serbest düşen bir cisim hızını her saniye 10 m/s artırır. Başlangıçta durgun olan cismin hızı 1. saniyenin sonunda 10 m/s, 2. saniyenin sonunda 20 m/s, 3. saniyenin sonunda 30 m/s olur. Bu düzenli artış, ivmenin hareket boyunca sabit kaldığının en büyük kanıtıdır.
Serbest Düşme: Kütle Gerçekten Önemli mi?: Alıştırma Soruları
1. Havasız (vakumlu) bir odada, bir basketbol topu ve küçük bir cam bilye aynı yükseklikten aynı anda serbest bırakılıyor. Bu cisimlerin düşme hareketleriyle ilgili aşağıdakilerden hangisi kesinlikle doğrudur?
- A) Basketbol topu daha ağır olduğu için daha büyük bir ivmeyle düşer.
- B) İki cismin de ivmesi aynıdır ve yer çekimi ivmesine eşittir.
- C) Cam bilye daha küçük olduğu için hava direnci oluşturmaz ve önce düşer.
- D) Kütleleri farklı olduğu için bu ortamda ivmeleri hesaplanamaz.
Cevabı göster
Doğru cevap: B) İki cismin de ivmesi aynıdır ve yer çekimi ivmesine eşittir.
Havasız ortamda hava direnci yoktur. Bu nedenle serbest düşen tüm cisimlerin kütlelerinden bağımsız olarak ivmeleri sabittir ve yer çekimi ivmesine (g) eşittir.
2. Serbest düşme hareketi yapan ve hava direncinin etkili olmadığı düşünülen bir cismin hareketi için aşağıdakilerden hangisi söylenebilir?
- A) Hızı sürekli azalır.
- B) İvmesi zamanla artar.
- C) Sadece yer çekimi kuvvetinin etkisindedir.
- D) Kütlesi artarsa ivmesi de artar.
Cevabı göster
Doğru cevap: C) Sadece yer çekimi kuvvetinin etkisindedir.
Serbest düşme hareketi, hava direncinin olmadığı ve cismin üzerinde sadece yer çekimi kuvvetinin (ağırlığının) etki ettiği bir hareket türüdür.
3. Hava direncinin önemsenmediği bir ortamda serbest düşmeye bırakılan bir taş, hareketinin 4. saniyesinin sonunda hangi hıza ulaşır? (g = 10 m/s² kabul ediniz)
- A) 20 m/s
- B) 30 m/s
- C) 40 m/s
- D) 80 m/s
Cevabı göster
Doğru cevap: C) 40 m/s
Serbest düşmede hız v = g * t formülüyle bulunur. İvme her saniye hızı 10 m/s artırır. 4 saniye sonra hız 10 * 4 = 40 m/s olur.
4. Bir fizik dersinde Arda, 'Ağır cisimlerin kütle çekim kuvveti daha büyüktür, bu yüzden serbest düşmede daha çok ivmelenmeleri gerekir' iddiasında bulunur. Arda'nın bu iddiasını bilimsel olarak çürütmek isteyen Zeynep, aşağıdaki açıklamalardan hangisini yapmalıdır?
- A) Cismin kütlesi artsa da hava sürtünmesi de artar, bu yüzden hızları eşitlenir.
- B) İvme, kütle çekim kuvvetinin kütleye oranıdır. Kuvvet kütleyle orantılı arttığı için oran hep sabit (g) kalır.
- C) Düşme süresi sadece cismin hacmine bağlıdır, ağırlığın bir önemi yoktur.
- D) Ağır cisimlerin kütle çekim kuvveti daha küçüktür, bu yüzden iddia tamamen yanlıştır.
Cevabı göster
Doğru cevap: B) İvme, kütle çekim kuvvetinin kütleye oranıdır. Kuvvet kütleyle orantılı arttığı için oran hep sabit (g) kalır.
Newton'un İkinci Yasasına (F=m*a) göre, yer çekimi kuvveti F=m*g'dir. a = F/m olduğundan, m'ler sadeleşir ve a = g olur. Yani kütlenin artması ivmeyi değiştirmez.
5. Hava direncinin olmadığı, yer çekimi ivmesinin dünyadan farklı olduğu X gezegeninde serbest düşmeye bırakılan bir cismin 3. saniyedeki hızı 12 m/s olarak ölçülüyor. Buna göre bu cismin X gezegenindeki 5. saniyedeki hızı kaç m/s olur?
- A) 16
- B) 20
- C) 24
- D) 30
Cevabı göster
Doğru cevap: B) 20
Öncelikle gezegenin çekim ivmesi bulunur: v = g*t => 12 = g*3 => g = 4 m/s². 5. saniyedeki hızı ise v = 4 * 5 = 20 m/s olur.