Fizik I · 9. Ünite: Çizgisel Momentum

Kütle Merkezi ve Öteleme Hareketi

Havada patlayan bir havai fişeğin parçaları her yöne saçılır, ama patlamanın tam merkezi bir mermi gibi düzgün bir parabol çizmeye devam eder. Bu gözlem, çok parçacıklı sistemlerin hareketini tek bir noktanın hareketine indirgeyen güçlü bir yasanın sonucudur: $M\vec a_{km} = \sum\vec F_{\text{dış}}$. Bu konuda kütle merkezinin hızını ve ivmesini tanımlayacak, iç kuvvetlerin neden etkisiz olduğunu ispatlayacak, patlama ve geri tepme gibi problemleri bu yasayla çözecek ve toplam kinetik enerjiyi kütle merkezi ile iç hareket bileşenlerine ayıracaksınız.

Öğrenme hedefleri

Konu anlatımı

  1. Bağlam: Dönen Çekiç, Patlayan Mermi

  2. Kütle Merkezinin Hızı, Momentumu ve İvmesi

  3. Kütle Merkezi Çerçevesi ve Kinetik Enerji

  4. Çözümlü Örnekler

  5. Grafik ve Tablo Yorumu

  6. Sık Yapılan Hatalar ve Kavram Yanılgıları

  7. Özet ve Bağlantılar

Anahtar terimler

Kütle merkezinin hızı
$\vec v_{km}=\sum m_i\vec v_i/M$; toplam momentumun toplam kütleye oranı.
İç kuvvet (internal force)
Sistemin parçaları arasındaki etki–tepki çiftleri; toplamları sıfırdır ve kütle merkezi hareketini değiştiremez.
Dış kuvvet (external force)
Sistem dışındaki cisimlerin uyguladığı kuvvet; $M\vec a_{km}=\sum\vec F_{dış}$.
Toplam momentum
$\vec P = M\vec v_{km}$; dış kuvvetin bileşeni sıfırsa o bileşen korunur.
Kütle merkezi çerçevesi
Kütle merkezi ile birlikte hareket eden, toplam momentumun sıfır olduğu referans çerçevesi.
König teoremi
Kinetik enerjinin $K=\tfrac12Mv_{km}^2+K_{iç}$ biçiminde ayrıştırılması.
İç kinetik enerji
Kütle merkezine göre hareketten gelen $K_{iç}=\sum\tfrac12 m_iu_i^2$.
Geri tepme (recoil)
Bir parçanın fırlatılmasına karşılık kalan kısmın ters yönde hız kazanması; toplam momentum korunur.

Örnek soru

Hava direncinin ihmal edildiği bir ortamda eğik atılan mermi yörüngesinin tepesinde patlayarak iki parçaya ayrılıyor. Parçalar yere düşmeden önce kütle merkezi için ne söylenebilir?

  1. Patlamanın enerjisi nedeniyle kütle merkezi daha uzağa gider.
  2. Kütle merkezi iki parçanın yörüngelerinin ortasındaki bir doğru boyunca ilerler.
  3. Kütle merkezi patlama anında durur ve sonra düşey iner.
  4. Kütle merkezi ağır parçanın izlediği parabolle aynı yolu izler.
  5. Patlama iç olay olduğundan kütle merkezi, patlamasız merminin izleyeceği parabolü izlemeye devam eder.

Doğru cevap: E

Çözüm

1. Sisteme etkiyen dış kuvvet yalnızca ağırlıktır: $M\vec a_{km} = M\vec g$.
2. Patlama iç kuvvetlerle olur; iç kuvvet çiftleri toplamda sıfırdır ve $\vec a_{km}$'ya katkı yapmaz.
3. Bu yüzden $\vec r_{km}(t)$ patlamasız merminin parabolüyle aynıdır (ilk parça yere değene kadar). Parçaların kendileri farklı parabollerdedir.
"Ağır parçanın yolunu izler" yalnızca bir parçanın kütlesi diğerine göre sonsuz büyük olduğunda yaklaşık doğrudur; genelde iki parça ağırlıklı ortalama ile temsil edilir.

Fizik I: tüm konular