Dünya neden hep döner durmaz sorusunun cevabıdır.Bu cevap verildiginde genelde bazıları bu cevaptan tatmin olmazlar.Daha detaylı ve örneklerle anlatalım o zaman.
Açısal Momentumun Korunumu
Doğrusal hızın etmen olduğu momentumun korunumunda olduğu gibi açısal hızın etmen olduğu açısal momentumun korunumu da cisimlerin, kütleleri dolayısıyla, sahip oldukları açısal momentumlarını koruma eğliminde olduklarının ifadesidir.
Patencilerin neden bu kadar hızlı bir şekilde dönebildiklerini hiç merak ettiniz mi? Birçok durumda, hızlarını herhangi bir şeye itmeden hızlandırabilirler. Bunu anlamak için, patencilerin kullandıkları temel teknikle, klasik teknisyenlerin nasıl çalıştığının alt kısmına ulaşmak için bazı basit prensipleri öğrenip taklit edebiliriz. Özel bir koordinasyon veya beceri de gerektirmez. İhtiyacınız olan her şey sağlam, döner bir sandalye ve bir çift hafif dambıl veya ağır kitaptır.Bu deneyi kendinizde resimdeki sekilde yapabilirsiniz.[1]
Newton yasalarına göre dönmekte olan bir cismin sahip olduğu açısal momentum, cismin geometrisinden bağımsız olarak sabittir.
Bir örnek daha,elinize doladığınız zincirin boşta kalan ucu kısaldıkça nasıl da hızlandığını düşünün.
Bunun gibi kütleleri kendi üzerlerine yığılarak hacimce ve çapça ufalan nötron yıldızları da açısal momentumun korunumu gereği daha hızlı dönmeye başlarlar.
Yukarda bahsettigimiz gibi buz pateni yapanlar da iyi bir örnektir olay icin. Dönüş hızları daha büyük oldugu için yari çapı kücülttüklerinde hız gözle görülür bir şekilde artar.
Dışarıdan bir kuvvet etkimediği sürece geçerlidir bu yasalar.Uzayda etkime olmadigi için bu yasalar orda aynen geçerlidir.
Kedi neden dört ayak üstüne düşer?
Kedinin düşerken dönüp, hep dört ayağı üzerinde yere basma tekniği, açısal momentum korunumuna olağanüstü bir örnektir. Yüksekten bırakılan kedi, arka ayaklarını açarak ve ön ayaklarını büzerek arka tarafına büyük bir eylemsizlik momenti verirken ön tarafına da mümkün olduğunca küçük bir eylemsizlik momenti verir. Toplam açısal moment sıfırdır ve ikinci yarısı birincisine göre daha fazla döner. Ön kısım yerine gelince (baş kısmı yani) kedi başını kaldırır ön ayaklarını gerer ve arka ayaklarını büzer ve bu seferde arka kısmı daha fazla döner. Dengeli iniş sağlanır.
Açısal momentumun korunumu, "hareket yönünde bir kuvvete maruz kalmadan seyreden bir cismin seçilen bir noktaya göre taradığı alanlar, eşit zaman aralıkları için eşittir." gibi bir sonuç da türetir. örneğin bir gezegenin güneş etrafındaki hareketinde güneş merkez alındığında, bu merkeze göre uzak konumda iken hareket yavaşlar, yakın konumda iken hareket hızlanır, öyle ki, her aralıkta eşit alanlar taranmış olur. yörünge çember olsaydı, hızın hiç değişmeyeceğini aynı kuraldan çıkarsayabilirdik.
işin ilginci, dönme hareketi yapmayan ve hareket doğrultusunda herhangi bir kuvvete maruz olmayan bir cismin hareketini de bu kanunla belirlememiz mümkün (bkz: düzgün doğrusal hareket). Bir çizgi çizin, bu cismin yörüngesini temsil etsin. şimdi bu çizginin üzerinde olmayan herhangi bir nokta seçin. Korunum teorisine göre, bu noktaya göre cismin açısal momentumu sabittir. Yani bu nokta üçgenin tepe köşesi olarak alındığında, cismin eşit zaman aralıkları için bu noktaya göre taradığı alanlar eşit çıkacaktır. şimdi geometri bilgilerimizi hatırlayalım: Tepe noktası ve alanı aynı olan iki üçgenin aynı zamanda nesi eşittir? Evet, tabanları eşittir. Yani cismin iki farklı zaman aralığında katettiği yollar eşit olacaktır. o halde cisim ilk hızını daima koruyacaktır."içerisinde eylemsizlik geçen her konu özünde momentumların korunumuna dayanır" Richard Feynman.bkz.[2]
Kepler yasalarındada mevcuttur.Kepler'in ikinci yasası (gezegenin merkezi ile güneş'in merkezini birleştiren yarıçap vektörü eşit zaman aralıklarında eşit parçalar tarar) Açısal momentumun korunumuna iyi bir örnektir. (bkz: kepler yasaları)[3]
Bisikletin ve motosikletin giderken dengede durmasını açıklayan kuvvetin tipidir. Dönen tekerlekler açısal momentum kazanarak tekerlek eksenini başka bir yöne bükülmelerine karşı koydukları için bisiklet ve motosikletde giderken dengede durabiliriz.
Açısal momentumun korunumu kanunu dünyanın yörüngesinde dönen uyduların ve bilimum uzay araçlarının yönlerini (hızı veya konumu değil sadece yönü!) değiştirmede de kullanılınır. Aracın içersinde birbirlerine dik eksenli 2 adet yeterli ağırlığa sahip volan, aracın gövdesine monte edilmiş elektrikli motorlar tarafından döndürülür. bu volan ların dönüş yönüne ters olarak o eksen etrafında araç, roket gibi itici motorlar kullanmadan yönünü 3 boyutlu uzayda değiştirebilir.
Aynı şekilde birbirlerine dik eksenli dönen volanların eksenlerinin serbest hareket edebilmelerine müsade edilen daha ufak tipteki çeşitleri de daha çok uçaklarda kullanılan ve "jiroskop" adıyla bilinen ve herhangi bir gidiş yönündeki sapmayı bulabilmeye imkan sağlayan teknolojinin de esas dayandığı fiziksel kanundur.
Tüm bunlarla beraber, açısal momentumun korunumu açıklanırken, illa ki de buz patencisinin dönerken kollarını ve bacaklarını gövdesine doğru çekmesiyle daha hızlı dönmeye başlaması örneğinden bahsedilse de, genelde çember veya daire şeklinde olan eşit çap ve eşit ağırlıklardaki cisimlere eşit miktarda tork/kuvvet uygulandığında, ağırlık dağılımı dönel hareketin olduğu eksene göre daha yakın olan cismin diğerine göre daha çabuk hızlanması örneğinden de bahsedilmelidir.
Biraz daha açmak gerekirse:
Mesela arabamızın dış lastik çapıyla oynamadan daha geniş jant taktığımız zaman, geniş jantın ağırlık dağılımı çok büyük ihtimalle merkeze doğru eski janta nazaran daha uzak kalacağı için, bu sefer aracın hızlanması bir miktar azalacaktır. çünkü yeni geniş çaplı jant eski küçük çaplı janta nazaran toplam ağırlığının biraz daha hafif olduğu durumlarda bile sırf merkezden daha uzakta bulunan kendi ağırlığını ivmelendirmek için daha fazla kuvvete ihtiyaç duyulacaktır.
daha da steril bir örnek vermek gerekirse:
Eğer eşit dış çapa sahip tekerleklerle maksimum hızlanma hadisesi gerçekleştirilmek isteniyor ve 2 seçenek arasında kararsız kalınmışsa, bu tekerlekleri 5-10 metre uzunluğunda hafif eğimli bir rampanın yukarısından aşşağı doğru kendiliklerinden yuvarlanacak şekilde serbest bırakın. Yerçekimi etkisiyle hangisi daha çabuk hızlanıp yere ilk ulaşırsa o tekerlekle teorik olarak hızlanmak daha kolay olacaktır.. zira daha çabuk aşşağıya ulaşmış olan tekerleğin ağırlık dağılımı, diğerine nazaran daha merkeze yakın, dolayısıyla eşit kuvvet altında ivmelenmesi de daha kolay olacak demektir.
Açısal momentumun korunumu, aynı zamanda merkezkaç kuvveti'nin de öz kardeşi sayılabilir.
Dönen cisimler neden daha iyi dengede durur?
Dönen cismin ağırlık noktası sürekli değişiyor o yüzden bir anda bir noktaya düşmesi gerekirken bir sonraki anda düşeceği nokta değişiyor kendi kendini periyodik dengeye sokuyor ve düşmüyor hızı azalasıya kadar. Hız azaldığında ise bir noktaya düşmesi daha etkili oluyor ve ağırlık merkezinin yer değiştirmesi yeterli olmuyor ve düşüyor.
'Bisiklet hızla giderken daha dengede olur bunun nedeni de açısal momentumun korunumu yasasına dayanır. Tekerler belli bir yönde dönerken o yönde dönmeye devam etmek isteyecektir. Siz tekerin yönünü değiştirdiğinizde bu yüzden teker size karşı direnecektir. Cisim ne kadar hızlı dönerse bu dirençte o kadar fazla olacaktır. Bu etkiyi gözlemenin en iyi yolu tekeri elinize alıp döndürmektir. Siz tekeri sağ sola yatırmaya kalkıştığınızda teker size karşı bir direnç oluşturacaktır. Deneyin ve görün' Bu yüzden motorsiklet yarışçıları virajdan çıkarken gaza yüklenir ve motor kendi kendine düzelmeye başlar.
Kaynaklar,
1.https://www.scientificamerican.com/article/bring-science-home-spinning-chair/#
2.Book -https://www.amazon.de/Character-Physical-Law-Modern-Library/dp/0679601279
3.https://en.wikipedia.org/wiki/Kepler%27s_laws_of_planetary_motion
4. https://en.wikipedia.org/wiki/Angular_momentum
