Diferansiyel Denklemler · 2. Ünite: Birinci Mertebeden Denklemlerin Uygulamaları

Serbest Düşme ve Dirençli Ortam Hareketi

Havada düşen bir taş, bir paraşütçü ve yağmur damlası aynı Newton denklemiyle başlar, ama sonları çok farklıdır: dirençsiz modelde hız sonsuza kadar artar, gerçekte ise hız bir üst sınıra (terminal hız) yaklaşır. Bu sınırı birinci mertebeden iki denklem belirler: lineer direnç için $mv' = mg - kv$, kuadratik direnç için $mv' = mg - kv^2$. Konunun sonunda bu denklemleri kurup çözebilecek, terminal hızı ve zaman sabitini bulabilecek, hız–zaman $v(t)$, hız–konum $v(x)$ ve konum–zaman $x(t)$ biçimleri arasında geçiş yapabilecek ve yukarı atışta işaret konvansiyonunu doğru uygulayabileceksin.

Öğrenme hedefleri

Konu anlatımı

  1. Bağlam: Dirençsiz Serbest Düşme

  2. Direnç Modelleri ve İşaret Konvansiyonu

  3. Lineer Direnç: Türetme ve Çözüm

  4. Kuadratik Direnç: Türetme ve tanh Çözümü

  5. Yukarı Atış ve İşaret Konvansiyonu (Kuadratik Direnç)

  6. Hız–Konum Biçimi: v dv/dx

  7. Çözümlü Örnekler

  8. Sınır Durumları ve Model Karşılaştırması

  9. Sık Yapılan Hatalar ve Kavram Yanılgıları

  10. Özet ve Simülasyonda Dene

Anahtar terimler

Serbest düşme (free fall)
Yalnızca yerçekimi etkisindeki hareket; $v = gt$ ve $y = gt^2/2$ (durgun başlangıç, $g = 9{,}8\ \text{m/s}^2$).
Direnç kuvveti (drag force)
Akışkanın cisme uyguladığı, hızın tersi yönündeki kuvvet; $kv$ (lineer) ya da $kv^2$ (kuadratik) biçiminde modellenir.
Terminal hız (terminal velocity)
Ağırlık ve direncin dengelendiği, ivmenin sıfır olduğu sabit hız; lineerde $mg/k$, kuadratikte $\sqrt{mg/k}$.
Zaman sabiti (time constant)
Lineer dirençte $\tau = m/k$; hız $t = \tau$ anında terminal hızın yaklaşık $\%63$'üne ulaşır.
Hiperbolik tanjant (hyperbolic tangent)
$\tanh u = (e^u - e^{-u})/(e^u + e^{-u})$; kuadratik dirençte hız çözümünü verir, $0$'dan $1$'e doyan bir eğridir.
Zincir kuralı dönüşümü ($v\,dv/dx$)
$dv/dt = v\,dv/dx$ eşitliği; zamandan bağımsız hız–konum denklemi kurmayı sağlar.
İşaret konvansiyonu (sign convention)
Pozitif yönün seçimi; ağırlık ve direncin işaretlerini belirler, yukarı atışta evreler arası geçişte kritiktir.
Otonom denklem (autonomous equation)
Sağ tarafı yalnızca bağımlı değişkene bağlı denklem; terminal hız kararlı bir denge çözümüdür.

Örnek soru

Dirençsiz ortamda, durgun halden bırakılan bir cismin $3\ \text{s}$ sonraki hızı ve düşülen yolu nedir? ($g = 9{,}8\ \text{m/s}^2$, aşağı yön pozitif)

  1. $v = 29{,}4\ \text{m/s}$, $y = 88{,}2\ \text{m}$
  2. $v = 44{,}1\ \text{m/s}$, $y = 29{,}4\ \text{m}$
  3. $v = 29{,}4\ \text{m/s}$, $y = 44{,}1\ \text{m}$
  4. $v = 14{,}7\ \text{m/s}$, $y = 44{,}1\ \text{m}$
  5. $v = 29{,}4\ \text{m/s}$, $y = 14{,}7\ \text{m}$

Doğru cevap: C

Çözüm

1. $mv' = mg$ olduğundan $v' = g$ ve $v(0) = 0$ ile $v = gt = 9{,}8\cdot 3 = 29{,}4\ \text{m/s}$.
2. $y' = v$ integre edilince $y = \tfrac{1}{2}gt^2 = \tfrac{1}{2}\cdot 9{,}8\cdot 9 = 44{,}1\ \text{m}$.
Cevap: C. A seçeneği $y = gt^2$ ile $\tfrac12$ çarpanını unutur; B seçeneği iki büyüklüğü yer değiştirir; E seçeneği $y = gt/2$ gibi birimi tutmayan bir ifade kullanır.

Diferansiyel Denklemler: tüm konular