Uzayda Fizik 1

Temel Parçacık Fiziği

Evrenin yapısı maddeden ve anti-maddeden oluşmaktadır. Belli bir kütle, belli bir momentum, spin veya elektriksel yük gibi özelliklere sahip her şeye verdiğimiz isim “Madde”dir. Maddelerin en küçük yapısı parçacıktır.

Parçacık son derece küçük bir madde bileşenidir ve evrendeki her şey parçacıklardan oluşur. Parçacıkların boyutları birbirinden farklı olabilir. Örneğin Elektron 2.10^-10 cm Proton ise 10^-13 cm’dir. Parçacıkların türleri vardır ve bu türlere göre değişkenlik gösterir. Bunları inceleyen Fiziğin alt dalı ise Parçacık Fiziği’dir. Parçacık Fiziğinin standart modeli evrende var olduğu bilinen dört temel kuvvetten yer çekimi hariç elektromanyetizma, zayıf çekirdek kuvveti ve güçlü çekirdek kuvvetini tanımlayan ve bilinen tüm temel parçacıkları sınıflandıran teoridir. Her ne kadar kendi içinde tutarlı ve deneysel tahminlerde başarılı olmuş olsa da bazı şeyleri tanımlayamaz (Örn. Kütleçekim, karanlık enerji). Standart modelin temeli 3 etmenden oluşur:

• Madde
• Anti-madde
• Maddeler arası etkileşimler

Kuarklar ve gluonlar, sırasıyla atom çekirdeğinin yapı taşları olan protonların ve nötronların yapı taşlarıdır. Bilimdeki şu anki anlayış, kuarkların ve gluonların bölünemez olduğudur, daha küçük bileşenlere ayrılamazlar. Renk yükü denilen bir şeye sahip olan tek temel parçacıklardır. Pozitif veya negatif bir elektrik yüküne (Protonlar ve nötronlar gibi) sahip olmanın yanı sıra, kuarklar ve gluonlar üç ek yük durumuna sahip olabilir: Pozitif ve negatif kırmızılık, yeşillik ve mavilik.

Bu sözde renk yükleri sadece isimden ibarettir, gerçek renklerle ilişkilendirilemezler. Bu renk yüklerine kırmızı, yeşil ve mavi olan 3 parçacık bir araya gelip bir tür “Hiçlik” oluşturur. Bu Hiçliğin adı “Akı Tüpü”dür. Kırmızı ve anti-kırmızı gibi renk yükü ve anti yüküne sahip iki parçacık çarpışıp akı tüpü oluşturabilir. Evrende vakum ortamında dahi Kuantum Dalgalanmaları vardır.

Lakin bu akı tüpünde bu Dalgalanmalar dahi yoktur. Pozitif ve negatif renk yüklerini birbirine bağlayan kuvvete güçlü nükleer kuvvet denir. Bu güçlü nükleer kuvvet, maddeyi bir arada tutan en güçlü kuvvettir. Diğer üç temel kuvvetten çok daha güçlüdür: Yerçekimi, elektromanyetizma ve zayıf nükleer kuvvetler. Güçlü nükleer kuvvet diğerlerine nazaran güçlü olduğu için kuarkları ve gluonları ayırmayı son derece zorlaştırır. Bu nedenle, kuarklar ve gluonlar bileşik parçacıkların içinde bağlıdır. Maddeler dışında kuvvetler de vardır. Bunlara Bozon denir (Kuvvet taşıyıcıları). Bunların en bilineni fotondur. Örneğin fotonlar Elektromanyetik kuvveti taşır.

Maddeleri kuarklar ve leptonlardan oluşur. Kuark ve leptonların toplamına fermiyon denir. Maddeler fermiyonlardan, anti maddeler ise anti fermiyonlardan oluşur. Madde ve anti-maddelerin tek farkı elektriksel yüklerinin ters olmasıdır.

Dinamik

Cisimlerin çeşitli kuvvetler altındaki hareket değişikliklerini inceleyen fizik biliminin alt bir disiplinidir. Harekete sebep olan ve hareketi değiştiren unsurları inceler. Dinamiğin esası ise hareket yasalarına bağlıdır. Hareket yasalarının tanımı ve mekanizmaları söz konusu olduğundan ise her hareketin işleyiş biçimi belirli şart ve kurallara bağlıdır. Fizikte ise canlı-cansız fark etmeksizin tüm varlıkların hareketi yasalarla izah edilir. Yani hareketler belirli yasalar çevresinde meydana gelir. Söz konusu yasalar ise üçe ayrılır: Eylemsizlik Yasası, Temel Yasa ve Etki-Tepki Yasası.

Eylemsizlik

Cisme uygulanan kuvvetlerin bileşkesi sıfır ise cisim o andaki durumunu korur. Bu durumda cismin ilk hızı yoksa cisim duruyor, ilk hızı varsa sabit hızla aynı yönde hareketine devam ediyor demektir. Newton tarafından 1. hareket yasası olarak ifade edilmiştir. Bu yasaya göre: Eğer bir cismin üzerine etki eden net/toplam kuvvet sıfır ise, durmakta olan bir cisim durmayı, hareket etmekte olan bir cisim ise aynı yönde ve hızda hareket etmeyi sürdürür. Fizikte bu durum “Eylemsizlik” ya da “Atalet” olarak tanımlanır. Daha basit bir tanımıyla eylemsizlik, cisimlerin o anda bulundukları hareket durumunu korumaya olan eğilimleridir. Duran bir cisim durmayı sürdürmek isterken hareket halindeki bir cisimse aynı şekilde hareket etmeyi ister.

Temel Yasa

Bir cisme etkiyen net kuvvet, o cisme ivme kazandırır. Bu durumda bir cisme ya da cisimlerden oluşan düzeneğe net bir kuvvet etki ederse cisim ivmeli olarak hareket eder. Cisme etkiyen net kuvvet ile net kuvvetin cisme kazandırdığı ivme oranı sabittir.

Buradan da dinamiğin temeli “$\mathrm{F=ma}$” şeklinde formülize edilebilir. F, hareket doğrultusundaki bileşke kuvveti; m, harekete katılan cisimlerin toplam kütlesini; a ise sistemin kazandığı ivmeyi temsil eder. İvme ve kuvvet arasında doğru orantı vardır. Eğer sürtünmeler önemsiz ise hareket doğrultusuna dik olarak uygulanan kuvvetlerin net kuvvete etkisi yoktur. Hareketli bir cisme etki eden bileşke kuvvet, cismin hareketiyle aynı yönde ise cisim hızlanan, harekete zıt yönde ise yavaşlayan hareket gösterir. Bileşke kuvvetin birimi Newton (N), kütlenin birimi kilogram (kg), ivmenin birimi ise metre/saniye² (m/s²) formülüyle hesaplanır.

Etki-Tepki Yasası

Etkileşim halindeki tüm cisimler birbirine kuvvet uygular. Her etkiye eşit ve zıt yönlü tepki kuvveti vardır. Etki, bir kuvvet ya da cismin yüzeye dik olarak uyguladığı kuvvete denir. Tepki ise yüzeyin etkiye karşı gönderdiği dik kuvvettir. Etki ve tepki kuvvetlerinin büyüklükleri birbirine eşittir fakat aynı cisimlere etki etmediklerinden dolayı birbirlerinin etkisini yok etmezler. Yön olarak birbirlerine zıt, büyüklük olarak eşittirler. Örnek vermek gerekirse: Bir araba saman yığına çarptığında yapacağı etki, samanların göstereceği tepki kadardır. Daha büyük olamaz. Etki-Tepki kuvveti eşit ve zıt yönlü olmasına rağmen birbirlerini dengelemez. Örneğin durmakta olan bir topa ayakla vurulduğu zaman, aynı şekilde top da ayağa zıt yönlü fakat aynı büyüklükte bir kuvvet uygular. Ancak top dengelenip durmak yerine hareket eder. Ya da kayıktan iskeleye doğru atlayan bir kişi, kayığa etki ettiği için kayık geriye doğru hareket eder ve iskeleden uzaklaşır. Atlayan kişi ise denize düşebilir. Burada dikkat edilmesi gereken bir diğer detay etki edilen cisim ile tepki gören cismin ayrı cisimler olduğudur.

Sürtünme kuvveti

Cisimler çok düzgün olsalar bile yüzeylerindeki çok küçük boyutta pürüzler birbirine takılır ve bu durum cismin hareketini zorlaştırır. Hareketi zorlaştıran bu etkiye sürtünme kuvveti denir. Sürtünme kuvveti, kuvvetin zıt yönüne doğrudur. Sürtünme kuvvetinin sebebi sürtünen yüzeylerin pürüzlü olması ve pürüzlerin hareketi zorlaştırması olarak bilinse de gerçekte temas halinde bulunan yüzeylerin atomları ve molekülleri arasındaki elektrik kuvvetidir. Sürtünme, statik sürtünme kuvveti ve kinetik sürtünme kuvveti olarak ikiye ayrılır.

• Statik sürtünme kuvveti: Statik sürtünme sayesinde bir cisim bir yüzey üstünde kaymadan durur. Statik sürtünme kuvveti, uygulanan kuvvete eşit ve zıt yönlüdür. Cisme uygulanan kuvvete denk bir kuvvetle ama zıt yöne doğru başka bir kuvvet uygular.
• Kinetik sürtünme kuvveti: Kinetik sürtünme kuvvetinin büyüklüğü ise hep sabit kalır, cisim harekete geçtikten sonra değişmez. Kinetik sürtünme nedeniyle hareket eden bir cisme kuvvet uygulamaya son verilirse cisim yavaşlar ve durur. Harekete geçirebilmek için statik sürtünme kuvvetinin aşılması gerekir. Hareketi devam ettirebilmek içinse kinetik sürtünme kuvvetinin aşılması gerekir.

Cisimden cisime bu pürüzlü yüzeylerin yapısı değişeceğinden sürtünme kuvvetini belirleyen özellik de değişir. Yüzeylerin yapısından kaynaklanan bu farklılığı belirtmek için “Sürtünme katsayısı” kavramı kullanılır. Bu katsayı birimsiz olup 0 ile 1 arasındadır. “k” şeklinde yazılır. Cismin yüzey alanına bağlı değildir. “$Fs=kN$” şeklinde hesaplanır (N burada yüzeyin tepki kuvvetidir). Aynı yüzey için statik sürtünme, kinetik sürtünme katsayısından genellikle büyüktür. Sürtünme kuvveti, sürtünen yüzeyin alanına bağlı değildir. Zemin üzerinde duran cismi hareket ettirmek için uygulanması gereken en küçük kuvvet statik sürtünme kuvveti kadardır. Sürtünme kuvveti ile gündelik hayatta karşılaşmak oldukça mümkündür. Araba tekerleklerinin yola tutunmasını sağlayan kuvvet ve asansörlerin emniyetli bir şekilde yolculuk yapması da sürtünme kuvvetine birer örnek sayılabilecek niteliktedir.

Termodinamik

Evrende olan bütün süreçler Termodinamik ile ilgidir. Bir fırın, bir motor veya bir ampul. Termodinamiği algılamak için enerji, ısı ve madde kavramlarının ve bileşenlerinin kavram bilgisi gereklidir.

• Madde, Uzayda yer kaplayan hacmi ve kütlesi olan tanecikli yapılara denir.
• Isı, Isı bir enerji türüdür.
• Enerji, işin olması için gereken büyüklüktür.

Termodinamik esas olarak doğal sistemlerde enerji akışının davranışını inceleyen bir bilimdir. Termodinamik yasaları doğa olayları, makineler ve daha birçok akışı tanımlamaması sağlayan bir doğa yasasıdır. Termodinamik ilkelerine genel bakış olarak ele almak gerekirse:

Termodinamiğin 0. yasası: Görselde gördüğünüz gibi 3 cisim olduğunu düşünün. Termodinamiğin Sıfırıncı yasası, iki cisim ayrı bir üçüncü cisimle ayrı ayrı dengedeyse, ilk iki cismin de birbiriyle termal dengede olduğunu belirtir. Bunun anlamı eğer A sistemi C sistemi ile termal dengedeyse ve B sistemi de C sistemi ile dengedeyse o zaman A ve B sistemi de termal dengededir. Termodinamiğin sıfırıncı yasası rastgele iki nesnenin sıcaklığını karşılaştırmak için termometreler kullanmamızı sağlar.

Termodinamiğin 1. yasası: Enerjinin korunumu yasası olarak da bilinen termodinamiğin birinci yasası, enerjinin yok edilemeyeceği, yoktan var edilemeyeceğini fakat bir biçimden başka bir biçime değiştirilebileceğini söyler. Örneğin bir odunu yaktığımızda kimyasal enerjiyi Isı enerjisine çeviririz.

Termodinamiğin 2. yasası: Termodinamiğin ikinci yasası, izole bir sistemdeki entropinin her zaman arttığını belirtir. İzole edilmiş herhangi bir sistem kendiliğinden termal dengeye, yani sistemin maksimum entropi durumuna doğru evrilir. Basitleştirmek gerekirse odamızı eğer pis bırakırsak zamanla daha da düzensiz ve pis hale gelir. Temizler isek entropisi azalır. yasa, ısı enerjisini yüzde 100 verimle mekanik enerjiye dönüştürmenin imkansız olduğunu açıkça açıklıyor. Örneğin, bir motordaki pistona bakarsak gaz ısıtılarak basıncını arttırır ve bir pistonu çalıştırır. Bununla birlikte piston hareket ederken bile gazda her zaman başka bir iş için kullanılamayan bir miktar artık ısı vardır. Isı boşa harcanır ve atılması gerekir. Bu durumda bir soğutucuya aktarılarak yapılır veya bir araba motorunda kullanılmış yakıt ve hava karışımı atmosfere atılarak atık ısı atılır. Ayrıca sürtünmeden oluşan ve genellikle kullanılamayan ısının da sistemden uzaklaştırılması gerekir.

Termodinamiğin 3. yasası: Termodinamiğin üçüncü yasası, sıcaklık mutlak sıfıra (0 Kelvin) yaklaştıkça bir sistemin entropisinin sabit bir değere yaklaştığını belirtir. Mutlak sıfır yani saf kristal entropisi 0’dır lakin maddeyi mutlak sıfıra indirmek imkansızdır. Bu yasalar neden dalgalar oluşur, motor nasıl çalışır sorularının pek çoğunun formülize edilebilmesini sağlar.

Kaynaklar

1. ^WEBSITE Alonot.com. (2021, December 5). 11.Sınıf Fizik Dersi Newton’un Hareket Yasaları (Dinamik) Konu Anlatımı. Alonot.com. [Alonot.com]
2. ^WEBSITE Fizik Dersi. (2023, January 2). 11. Sınıf Fizik Konuları Konu Anlatımı. Fizik Dersi. [Fizik Dersi]
3. ^WEBSITE OGM Materyal. (n.d.). Fizik 11 – Elektrik ve Manyetizma. OGM Materyal. [OGM Materyal]
4. ^{PDF FILE} Milli Eğitim Bakanlığı (MEB). (n.d.). 11. Sınıf Fizik Kitabı. [Milli Eğitim Bakanlığı]
5. ^WEBSITE Bakırcı, Ç. M. (2014, December 04). Atalet (Eylemsizlik) Nedir? Cisimlerin Doğasıyla ve Sağduyularımızla İlgili Bize Neler Söyler?. Evrim Ağacı. [Evrim Ağacı]
6. ^WEBSITE Webders.net. (n.d.). Dinamik – Konu detayı. Webders.net. [Webders.net]
7. ^WEBSITE Eğitmen, K. (2022, February 15). Newton’un Hareket Yasaları – Hareket ve Kuvvet Ders Notları. Kunduz. [Kunduz]
8. ^WEBSITE BYJUS. (2021, March 22). Thermodynamics. BYJUS. [BYJUS]
9. ^WEBSITE BYJUS. (2021, March 22). Second Law Of Thermodynamics. BYJUS. [BYJUS]
10. ^{PDF FILE} Bayarı, S. (n.d.). Termodinamik İlkeleri. Hacettepe Üniversitesi. [Hacettepe Üniversitesi]