Fizik I · 11. Ünite: Açısal Momentum; Genel Dönme

Topaç ve Jiroskop

Hızla dönen bir topaç eğik dursa bile devrilmez; ağırlığı onu yatırmaya çalışırken topaç düşey eksen etrafında yavaş bir dairesel hareket (presesyon, devinme) yapar. Aynı olay bisikletin kararlılığından jiroskop pusulasına, Dünya'nın ekseninin 26 bin yıllık yalpalamasına kadar pek çok yerde karşımıza çıkar. Bu konuda $\vec{\tau} = d\vec{L}/dt$ bağıntısını vektörel olarak yorumlayacak, presesyon açısal hızını $\Omega = Mgr/(I\omega)$ olarak türetecek ve hangi koşullarda bu yaklaşımın geçerli olduğunu irdeleyeceksiniz.

Öğrenme hedefleri

Konu anlatımı

  1. Bağlam: Devrilmeyen Topaç

  2. Kavramlar: Spin, Presesyon ve Tork

  3. Türetme: Presesyon Açısal Hızı

  4. Çözümlü Örnekler

  5. Grafik ve Tablo Yorumu

  6. Sınır Durumları ve Uygulamalar

  7. Sık Yapılan Hatalar ve Kavram Yanılgıları

  8. Bağlantılar ve Özet

Anahtar terimler

Presesyon (precession, devinme)
Dönen bir cismin simetri ekseninin, dış tork altında bir eksen etrafında yavaş dairesel hareketi; açısal hızı $\Omega$.
Spin (özdönme)
Cismin kendi simetri ekseni etrafındaki hızlı dönmesi; açısal momentumu $L = I\omega$.
Jiroskop (gyroscope)
Hızla dönen simetrik bir rotorun eksen yönünü koruma ve presesyon özelliğinden yararlanan düzenek.
Nütasyon (nutation)
Presesyona eklenen, ekseni aşağı yukarı sallayan küçük salınımlı hareket.
Yerçekimi torku
$\vec\tau = \vec r\times M\vec g$; topaçta yatay ve $\vec L$'ye diktir, büyüklüğü $Mgr\sin\theta$.
Presesyon açısal hızı
$\Omega = \tau/L = Mgr/(I\omega)$ (hızlı topaç yaklaşımı, $\omega\gg\Omega$).
Ekinoks presesyonu
Ay ve Güneş'in Dünya'nın ekvator şişkinliğine uyguladığı torkla Dünya ekseninin yaklaşık 25 800 yılda bir koni çizmesi.
Hızlı topaç yaklaşımı
Toplam açısal momentumun yalnızca spin bileşenine eşit alındığı, $\omega\gg\Omega$ için geçerli basitleştirme.

Örnek soru

Hızla dönen ve eğik duran bir topaç, yerçekimine rağmen devrilmeyip düşey eksen etrafında presesyon yapar. Bunun nedeni aşağıdakilerden hangisidir?

  1. Hızla dönen cisim üzerindeki yerçekimi kuvveti sıfırdır.
  2. Yerçekimi torku açısal momentumun büyüklüğünü sürekli artırır.
  3. Yerçekimi torku açısal momentuma paraleldir ve onu dengeler.
  4. Net tork sıfırdır; bu yüzden açısal momentumun yönü hiç değişmez.
  5. Yerçekimi torku açısal momentuma diktir; bu yüzden $\vec{L}$ yalnızca yön değiştirir.

Doğru cevap: E

Çözüm

1. Ağırlığın destek noktasına göre torku $\vec\tau = \vec r\times M\vec g$ yataydır ve $\vec r$'ye (yani simetri eksenine, dolayısıyla $\vec L$'ye) diktir.
2. $d\vec L = \vec\tau\,dt$ olduğundan değişim $\vec L$'ye diktir: büyüklük değişmez, yalnızca yön değişir.
3. $\vec L$'nin ucu yatay bir çember çizer; bu çember presesyondur.
Doğru cevap: E. D şıkkı yanlıştır çünkü net tork sıfır değildir; sıfır olsaydı topaç eğikliğini hiç değiştirmez ama sabit yön de koruyamazdı (destek yok). A ve B fiziksel olarak yanlıştır.

Fizik I: tüm konular