MEKANİK

MEKANİK; Aim. Mechanik (f), Fr. Mechanique
(f.), İng. Mechanics. Cisimlerin denge ve hareketini
inceleyen bilim dalı. Mekanik bütün makinaların
ve yapıların projelendirilmesinde müracaat
edilen ana kurallar topluluğudur. Bu bilim dalı, bir
yandan kâinattaki maddî olayların kurallarını araştırırken,
diğer yandan atom içindeki olayları aydınlatmaya
çalışır. Fizik ve astronomide mekaniğin
önemi her geçen gün artmaktadır.
Mekanik, dengede bulunan cisimleri inceleyen
statik ve hareket eden cisimleri inceleyen, dinamik
gibi iki bölüme ayrılır. Dinamik de ayrıca, sebebini
araştırmadan yalnız hareketi inceleyen kinematik
ve hızı değişen cisimleri inceleyen kinetik
diye iki bölüme ayrılabilir. Ancak bu ayrımlar
o kadar kesin değildir. Statik de, dinamiğin
özel bir hâli (hızı sıfır) olarak düşünülebilir.
Târihi: Eski çağlarda, mekaniğin pratik uygulaması
mevcutsa da kaideleri hakkında pek az şey bilinmekteydi.
Kaldıraç, eğik düzlem, tekerler ve muhtemelen
palanga sisteminin faydalan, eski Mısırlılar
ve Babilliler tarafından bilinmekteydi. Eski Yunanlılar,
ilk defâ hareketi teorik olarak incelemişlerse de,
teorilerini gözlemleriyle gerçekleştirmeğe çalışmışlardır.
Arşimet (M.Ö. 287-212), balistik, hidrostatik,
ağırlık merkezi gibi temel mekanik kavramları
kullanması ve bunlardan pratik faydalar sağlaması
bakımından bir istisna teşkil eder.
Her alanda olduğu gibi mekanik alanında ilk
mekanik âletleri Müslüman ilim adamları yapmıştır.
Sistemli olarak ilk defâ Bağdat’ta yaşayan
Benî Mûsâ kardeşler dokuzuncu asırda mekanik
âletler yapmışlardır. Benî Mûsâ kardeşlerin ortancası
olan Ahmed bin Mûsâ; mekanik olarak
çeşitli tartı âletleri yanında yükleri çekmek ve
kaldırmakta kullanılan bâzı âletler yaptı. Mekanik
konular üzerinde titizlikle durdu. Ağabeyi ile birlikte
büyük bir bakır saat yaptı. Ayrıca üzerine
ateş yaklaştırıldığında fitili otomatik olarak ortaya
çıkan kandiller yapmıştı. Kandilin fitili ortayaçıkınca yağ da hemen fitilin üzerine yanacak miktarda
fışkırıyordu. Geliştirdiği zirâat ve sulama
âleti, tarlada sulama yaparken, tâyin edilen sulama
miktarını aşınca hemen sinyal veriyordu.
On ikinci asrın sonlarına doğru Dicle ve Fırat
nehirleri arasındaki Cezire bölgesinde yaşıyan
Cezerî otomatik âletler yaptı. Cezerî sâdece otomatik
âletler yapmakla kalmayıp, otomatik olarak
çalışan sistemler arasında denge kurmayı başardı.
Sekiz asır gibi bir aradan sonra İngiliz nöroloji profesörü
Dr. Ross Ashby ancak 1951 senesinde üstün
denge durumunu ortaya koydu. Cezerî; aynı zamanda
haberleşme, kontrol, denge kurma ve ayarlama
ilmi olan sibernetiğin ilk kurucusudur. İnsanlarda
ve makinalarda bilgi alış-verişi, bunların
kontrolü ve denge durumu sibernetiğin esas konusudur.
Bu ilmin gelişmesiyle elektronik beyinler
ve otomasyon denilen sistemler ortaya çıktı. Bu
bakımdan yaptığı mekanik makinalarla bu ilmin temeli
Cezerî tarafından atıldı.
Batı âlemi her alanda yaptığı gibi, Endülüs
Emevileri vasıtasıyla tanıdığı İslâm âlemindeki
buluşları mekanik alanında da kendine mâl etmiştir.
Müslüman ilim adamlarının yaptığı mekanik
âletleri ancak on yedi ve on sekizinci asırlarda
yapmışlardır.
On altıncı yüzyılda İslâm âlimlerinin eserlerini
inceleyen Galileo Galilei (1564-1642), Tycho Brahe
(1546-1601) Johanres Kepler (1571-1630) onlardan
büyük ölçüde faydalanarak, bâzı buluşları
da kendilerine mâl ederek gök mekaniğinde günümüze
kadar gelen temel kuralları koymuşlardır.
Galileo, düşen cisimleri ve sarkacı inceleyen, kontrollü
deney yapan birisiydi. Simon Stevin (1548-
1620) kuvvetlerin bileşke prensibini geliştirmiştir.
Bütün bu gelişmelerden sonra Isaac Newton (1642-
1727); Hareketin Üç Kânununu ortaya koymuştur.
Daha sonra mekanikteki gelişmelerin pek
çoğu, bu kânun üzerine kurulmuştur. Daha sonra
gelenler analiz metodlarım geliştirirken, daha kolay
bakış açıları aramışlardır. Jean Le Rond d’Alembert
(1717-1783), dinamik problemlerini ilâve
kuvvetlerle statik problemlere çevirmiş, Simeon
Denis Poisson (1781-1840), hareket eden eksen takımında
problemleri çözmeyi denemiş, Joseph
Louis Lagrange (1736-1813) genelleştirilmiş koordinatları
çözüme dahil etmiş, virtüelis kavramını
ortaya atmış, Josiah Willard Gibbs (1839-
1903), problemlerin çözümünde vektör hesabı
kullanmıştır. Diğer bir arayış da, hareket kânunlarının
tek bir şekilde ifâde edilmesi olmuştur.
Bütün bunlar, ekstremum prensiplerine yönelmeği
getirmiştir.
Târifler: Mekaniğin anlaşılmasında bir kavram
birliğinin sağlanması önemlidir. “Cisim”,
“kütle”si olan bir maddesel nesnedir. Kütle, relatif
bir kavram olup, “ağırlık”la karıştırılmaması gerekir.
Bir cismin kütlesi, “atalet”inin, yâni harekete
geçirilmesi sırasında veya hareket sırasında,
yönü değiştirilmek istendiğinde gösterdiği direncin,
seçilen cismin ivmesine oranıdır. Bir cismin
kütlesi değişmediği halde yerçekiminin doğurduğu
kuvvet olan ağırlığı, cismin, dünyânın merkezinden
olan uzaklığına bağlıdır. Cisimler, boyutları
ihmal edilebilen “noktasal kütleler”in topluluğudur.
Metodları: Mekaniğin problemleri, iki metodundan
biriyle veya ikisi beraberce kullanılarak
çözülür. Bu iki metodu; analitik ve grafik çözüm
yollarıdır. Analitik metod, matematik formülasyonu
kullanırken, grafik çözümde diyagramlar kullanılır.
Grafik metodda, en çok kullanılan kavramlardan
biri de “vektörler” dir. Vektörel büyüklüğün
özelliği, yönü ve büyüklüğünün olmasıdır.
Bunun yanında, bu büyüklükler kendilerine has
olan kurallarla hesaplanırlar. Meselâ, bir vektörel
büyüklük verilen belirli x, y ve z eksenleri doğrultusunda
bileşenlere ayrılabilir. Vektörler genellikle
boyu, büyüklüğüne eşit olan bir okla gösterilir.
Hız, ivme ve kuvvet: Hareketin iki önemli
kavramı “hız” ve “ivme”dir. Hız, cismin yer değiştirmesinin
zamana bağlı değişimidir. Birimi
cm/saniye, metre/saniye veya kilometre/saat olabilir.
“Momentum” veya “hareket miktarı”, cismin
kütlesiyle hızının çarpımından ibârettir. Hızın
zamana göre olan değişimi ise ivme olarak isimlendirilir,
birimi cm/s2 veya m/s2 olabilir.
Mekanikte kuvvet, cisimlerin karşılıklı etkilerinden
doğar. Ayrıca kuvvet, cisme ivme vererek
etkisini gösterir. Meydana gelen ivme a, kütle/m
olmak üzere bileşke kuvvet F ile aynı yönde olup,
F= ma bağıntısından hesaplanır.
Newtonfun hareket kânunları: Pratik olarak
mekanik, Newtonfun üç kânunu ve yerçekimi
teorisi üzerine kurulmuştur: 1) Bir cisme kuvvet
etki etmedikçe ismin durumunda hiçbir değişiklik
olmaz veya düzgün doğru hareketi yapıyorsa,
buna devam eder. 2) Bir cisme bir kuvvet etki
ederse, kuvvet doğrultusunda cisim ivme kazanır.
Bu ivme, etkileyen kuvvetle doğru, cismin
kütlesiyle ters orantılıdır. 3) Her kuvvet zıt yönde
ve eşit şiddette bir tepki doğurur.
Dördüncü kânun olan kütlesel çekim kânunu,
gök cisimlerinin hareketlerini açıklamak için geliştirilmiştir.
Buna göre, herhangi iki cisim birbirlerini
mj ve m2 kütleleriyle orantılı, arasındaki
d mesâfesinin karesiyle ters orantılı bir kuvvetle
çekerler.
F=Gmj m2/d2
Burada G, kütlesel çekim sâbiti olup boyutlu
bir büyüklüktür.
G= 6,670×10″8 dyne cm2/g2.Denge: Mekaniğin bir dalı olan statik, hareketsiz
cisimlerin dengesiyle meşgul olur. Bu tür
problemler, kararlı denge metodu ve virtüel iş
prensibi ile çözülebilir. İlk prensipte, cisme etki
eden kuvvetlerin ve momentlerin, her doğrultuda
dengede olduğundan hareket edilir. Yâni etki eden
kuvvetlerin bileşkesi sıfır olmalıdır. Bu, pratik
olarak seçilen dik eksen takımında, bütün kuvvetlerin
ayrı ayrı bileşenlere ayrılması ve sonra
bunların her eksen için toplanarak sıfır eşitliğinin
kontrol edilmesinden ibarettir.
Moment: Şekil değiştirmeyen bir cisim, öteleme
hareketi yanında, bir eksen etrafında dönme
hareketi de yapabilir. Bu dönme hareketi, birbirine
paralel ve eşit büyüklükte kuvvet çifti tarafından
doğurulur. Kuvvet çiftinin döndürme etkisi,
kuvvetlerin büyüklüğü ve aralarındaki mesafeyle
doğru orantılıdır. İşte bu etki, moment olarak isimlendirilir.
Böyle dengenin ikinci tür şartına gelinir.
Bu şart, cisme etkiyen momentlerin bileşkesinin sıfır
olmasıdır. Bu da pratik olarak, cisme etkiyen
kuvvetlerin, birbirine dik seçilen eksen takımına
göre olan momentlerin ayrı ayrı toplanıp, sıfır etmesi
şartıyla kontrol edilir.
Dengedeki bir cisme etkiyen kuvvetler, eğer cisim
şekil değiştirmez kabul ediliyorsa, etki eksenleri
boyunca kaydırılabilir. Bir kuvvetler sistemi,
ancak bileşkesi büyüklüğünde ve ters yönde
bir kuvvet etkisiyle dengelenebildiği hâlde, bir
kuvvet çifti ancak momenti, yâni döndürme şiddeti
eşit fakat ters olan bir kuvvet çiftiyle dengelenir.
Kütle merkezi ve ağırlık merkezi: Kütle
merkezi, cisimdeki bütün maddesel noktaların
momentlerinin toplamlarının sıfır ettiği noktadır.
Denge şartları bakımından, cismin bütün kütlesi
burada toplanmış gibi bakılabilir. Yerçekimi kuvveti,
kütle ile orantılı olduğu için, klasik mekanikte,
kütle merkezi ile ağırlık merkezi aynı kabul edilir.
Eğer cisimde kütle yayılışı düzgünse bu nokta,
aynı zamanda cismin geometrik merkezi ile çakışır.
Dâiresel hareket: Dâiresel (dâirevî) hareket,
cismi devamlı yön değiştirdiği için, hızın büyüklüğünde
bir değişiklik olmasa da, yönü değiştiğinden
sürekli ivmelenir. Burada ivme (a), daima
dönme merkezine yönelik olup, r dönme yarıçapı,
v teğetsel hız ve (O = u/r sâbit açısal hız olmak üzere
a= (O 2= v2/r şeklinde belirlidir. Eğer dâiresel hareket
düzgünse başka ivme mevcut değildir. Ancak
dönme hızı zamana bağlı değişiyorsa teğetsel bir
ivme mevcut olur. Bu merkezsel ivme, cismi dâiresel
yörüngede tutmağa yarar. Dâiresel hareketin
doğması için cisme dönme merkezine doğru kuvvet
tatbik edilir. Bu kuvvet, cisimde hâsıl olan
’’merkezkaç kuvveti” ile dinamik dengede bulunur.
Bu iki kuvvet, etki-tepki şeklinde olup, m cismin
Yeni Rehber Ansiklopedisi 3 5 8
kütlesini göstermek üzere F= mv2/r olarak ortaya
çıkar. Bir cismi dâiresel yörüngede bulundurmak
için böyle bir kuvvetin tatbikine ihtiyaç vardır.
Basit harmonik hareket: Bir dâiresel harekete,
bulunduğu düzlemde bakıldığında, ortaya
çıkan, gel-git yâni titreşim şeklinde bir hareket
türüdür. Hareketin periyodu, tam bir devrin yapılması
için geçen zamandır. Harmonik harekette
maddesel nokta, bir denge konumu etrâfında hareket
eder. Bu konumdan olan mesâfesi, noktanın
yerdeğiştirmesidir. Bu tür harekette, ivme yerdeğiştirme
ile orantılı fakat ters yöndedir. Harmonik
harekete tabiatta çok sık rastlanır. Serbest
bırakılan yayların ve sarkaçın hareketi bu türdendir.
Bir sarkaçın periyodunun, boyuna ve o yerdeki
yerçekimi ivmesine bağlı olduğu çok eskilerden
beri bilinmekteydi. Yâni titreşim yerdeğiştirme
küçük kalmak şartıyla, sarkaçın periyodu, yerdeğiştirme
miktarına bağlı değildir. Bu sonucu kullanarak,
çeşitli yerlerde yerçekimi ivmesini ölçmek
mümkündür. Jeolojide gravimetre adı verilen âletler
bu esasa göre çalışır.
İş: Bir kuvvetin yaptığı iş, kuvvet doğrultusunda
meydana gelen yerdeğiştirmeyle kuvvetin
çarpımına eşittir. Eğer kuvvet doğrultusunda bir
yerdeğiştirme meydana gelmiyorsa, iş sıfırdır.
Çok büyük bir ağırlığı tutan kimse onu düşey doğrultuda
hareket ettirmezse, mekanik bakımından
yaptığı iş, sıfırdır. Buna benzer şekilde, eğer sürtünme
veya kayma yoksa dönme hareketinde de hiç
bir iş yapılmaz. İşin birimi kgm, dyne-cm (erg),
Newton-metre (joule) olabilir.
Virtuel iş metodu: Bu prensip, “Dengede olan
bir sisteme çok küçük yerdeğiştirmeler verildiğinde
yapılan iş sıfır”dır şeklinde ifâde edilebilir.
Enerji: Enerji, iş*yapabilme kapasitesidir. Potansiyel
ve kinetik diye iki bölüme ayrılır. Potansiyel
enerji, depolanmış kullanılabilecek enerjidir.
Bütün cisimlerde bu tür enerji mevcuttur.
Meselâ, gerilen bir yay veya yükseğe kaldırılan bir
cisim potansiyel enerji kazanır. Yâni, boşaldığında
iş yapabilirler. İkinci durumda kazanılan potansiyel
enerji, cismin ağırlığı ile yüksekliğin çarpımından
ibârettir. Tabiî başka tür depolanmış
enerjiler de mevcuttur. Meselâ, kömürde, dinamitte
ve bitkilerde depolananlar gibi. Bir cismin kinetik
enerjisi ise kütlesi ile hızının karesinin çarpımının
yarısına eşittir. Newton’un ikinci kânunu
bu enerjilerin toplamının hareket boyunca korunduğunu
ifâde eder. Bu sonuç tabiatta enerjinin
farklı şekillere girerek değişikliğe uğradığını ortaya
koyar. Her ne kadar sürtünme ile enerji azalır,
kaybolur gibi görünse de, halbuki bu sâdece ısı
enerjisine dönüşmektedir. “Güç”, yapılan işin zamana
bağlı değişimidir. Meselâ “Beygirgücü”, sâniyede
75 kgm’lik, “Watt” ise sâniyede 1 joule’lükişe karşı gelir. Dönen bir cismin kinetik eneıjisi, atalet
momenti ile cismin açısal hızının karesinin çarpımının
yarısına eşittir. Atalet momenti cismin
kütlelerinin, dönme eksenine olan uzaklıklarının kareleri
ile çarpımlarının toplamlarına eşittir.
Sürtünme: Bir yüzeyin diğer yüzey üzerinde
değerek hareket ederken, karşılaşılan dirençtir.
Sürtünme, pekçok işin yapılabilmesini sağlar. Ancak,
verimi azaltır. Bir tür enerji, diğer tür enerji
şekline dönerken, bir kısmı ısı enerjisi olarak kaybolur.
Sürtünme kuvveti, hareketi önleyici yönde
ve yüzeye paralel olarak ortaya çıkar. Bu kuvvet,
yüzeye tatbik edilen kuvvetle, değen iki yüzeyin
özelliğine bağlı bir katsayıyla orantılıdır.