Fizik I · 5. Ünite: Newton Yasalarının Uygulamaları

Hızla Artan Direnç Kuvvetleri (Limit Hız)

Viskoz bir sıvıda yavaşça çöken bilye, havada asılı kalan toz taneleri ve motoru kapatılmış bir tekne aynı matematiksel yapıyı paylaşır: hız arttıkça büyüyen bir direnç kuvveti hareketi sınırlar. Bu konuda direnç kuvvetinin hızla doğru orantılı olduğu (lineer) rejimi inceler, hareket denklemini çözerek üstel yaklaşma $v = v_T(1 - e^{-t/\tau})$ sonucunu türetir ve bunu karesel direnç rejimiyle karşılaştırırsınız. Konunun sonunda zaman sabiti, limit hız ve alınan yolu hesaplayabilir; verilerden direnç rejimini ayırt edebilirsiniz.

Öğrenme hedefleri

Konu anlatımı

  1. Bağlam: Direnç Rejimleri

  2. Lineer Direnç: Hareket Denklemi ve Limit Hız

  3. Türetme: $v(t)$, $a(t)$ ve $y(t)$

  4. Çözümlü Örnekler

  5. Lineer ve Karesel Direnç: Karşılaştırma ve Grafik Yorumu

  6. Sık Yapılan Hatalar ve Kavram Yanılgıları

  7. Bağlantılar ve Özet

Anahtar terimler

Direnç kuvveti (drag force)
Akışkanın hareket eden cisme uyguladığı, bağıl hızın tersi yönünde ve hızla artan kuvvet.
Lineer direnç (linear drag)
Hızla doğru orantılı, $F_d = bv$ biçimindeki viskoz direnç; yavaş akışlarda geçerlidir.
Limit hız (terminal velocity)
Direncin ağırlığı dengelediği, ivmenin sıfırlandığı sabit hız; lineer rejimde $mg/b$.
Zaman sabiti (time constant)
$\tau = m/b$; hızın limit hızın yaklaşık $\%63$'üne ulaştığı süre.
Stokes yasası (Stokes' law)
Küçük küresel cisme viskoz akışta etkiyen $F = 6\pi\eta r v$ direnci.
Asimptotik yaklaşma (asymptotic approach)
Bir niceliğin sınır değerine zamanla sonsuza kadar yaklaşıp hiçbir an tam ulaşamaması.
Reynolds sayısı (Reynolds number)
Eylemsizlik kuvvetlerinin viskoz kuvvetlere oranı; küçükse lineer, büyükse karesel direnç geçerlidir.

Örnek soru

Viskoz bir sıvıda $F_d = bv$ direnciyle düşen bir cisim için hız-zaman ilişkisi hakkında hangisi doğrudur?

  1. Hız zamanla doğrusal artar ve ivme sabit kalır.
  2. Hız belirli bir sonlu sürede limit hıza ulaşır ve sonra ani biçimde sabitlenir.
  3. Hız önce artar, sonra azalarak sıfıra gider.
  4. Hız limit hıza ulaştıktan sonra direnç kuvveti kaybolur.
  5. Hız $v_T(1 - e^{-t/\tau})$ biçiminde artar ve limit hıza asimptotik olarak yaklaşır.

Doğru cevap: E

Çözüm

1. Hareket denklemi $m\,dv/dt = mg - bv$ ve çözümü $v = v_T(1 - e^{-t/\tau})$'dur.
2. $e^{-t/\tau}$ hiçbir sonlu $t$ için sıfır olmadığından $v < v_T$ kalır; limit hıza yalnızca yaklaşılır.
3. İvme $a = ge^{-t/\tau}$ zamanla üstel azalır.
Cevap: E. A şıkkı serbest düşüştür ($b = 0$). B şıkkı üstel yaklaşmayı bir süre ile kesilen bir olay gibi gösterir. D şıkkı yanlıştır: limit hızda direnç tam olarak $mg$'ye eşittir.

Fizik I: tüm konular