Kuvvetin Hız Sınırı

Kuvvet ( F ), okul hayatı boyunca öğrencilere sürekli okutulan, temel fizik derslerinin vazgeçilmez unsurudur. Tahtada, kare şeklinde bir cisme oklar ile çizilen, sürekli zavallı cismi itip kakan, karşımıza sadece vektörel bir değer olarak çıkan kuvveti hiç pratik olarak düşündünüz mü? Gerçek hayatta, ittiğiniz bir kapı, çektiğiniz bir sandalye, üzerine bastığınız bir klavye tuşu, hepsi kuvvete maruz kalıyor. Cisimlere, direkt kas kuvvetimizi iletiyoruz…pekala, etrafta “Işık hızı, hız limitidir.” diye dolaşıyoruz da, hiç düşündük mü, kuvvetin hız sınırı var mıdır?
Fiziksel olarak kuvvet iletimini irdelemeden öncesinde, muazzam bir enerji dönüşüm harmonisinden bahsettiğimizin farkına varmalıyız. Daha spesifik düşünerek, ağır bir bloğu ittiğinizi varsayarak işe başlayabiliriz. İlk olarak beyninizin içerisinde birsürü nöro-kimyasal tepkime ve kompleks bağlarla, karşınızdaki bloğu neden itmek istediğinize karar veriyorsunuz. Beyin, herhangi bir sorun yoksa eğer, nedensellik temelli çalışmaktadır. Bu yüzden, bloğu amaçsız bir şekilde itmek, “anlamsız” karşılanır. Buna karar verdikten sonra, beyninizin birincil motor korteksi, omuriliğe direkt bağlı sinir patikasını elektrikle yükleyerek, gövdenizdeki kaslara işaret verir. Bir bacağınızı arkaya atar, diğerini önde kırar ve ellerinizi bloğa dayarsınız. Bu esnada vücudunuzda olanlar, enerji dönüşümünün harika örneklerinden biridir. Vücudumuzda elektro-kimyasal iletimlerin, fiziksel kuvvete dönüşmesini sağlayan, harika bir mekanizma çalışmaktadır. Bu da, kabaca elektriğin itiş, çekiş gibi kuvvetlere dönüşümü varsayılabilir.
Ellerinizden, bloğa sarfedilen itiş kuvveti sayesinde blok, “aniden” hareket ediyor gibi gözüküyor. Blok, kuvvetle eş zamanlı tepki gösteriyor gibi. Sanki, kuvvet onu hareket ettirebilecek seviyeye geldiğinde, durup dururken ivmeleniyor…mu? Herhangi bir cimi hareket ettirmek istediğimizde, ettiriyoruz. Okulda da, bize hiç kuvvetin hız sınırı veya nasıl işlediği hakkında bir şey söylenmedi, nereden bileceğiz? Elimizde gözlem yapabileceğimiz bir durum da yok…o zaman mantık yürütelim. İlk olarak, kuvvetin neden bir “hız sınırına” ihtiyacı olduğunu düşünelim. Kuvvet, informasyon içeren parçacıklar arası etkileşimlerden meydana gelmektedir. Çok detayla düşünürsek eğer, parçacıklar informasyon içerirler. Kütleleri vardır ve kütleli her olgunun da, hıza karşı direnci. Yani, kuvveti ileten parçacıklar arası mesafe olması, bu parçacıkların ani bir şekilde etkileşime geçmesini engellemektedir. Cisim bir bütün olmadığı üzere, parçacık temelli düşünmeliyiz. Ses kavramının ne olduğunu biliyoruz, ses basit olarak parçacıkların titreşmesidir. Parçacıklar titreşerek kulağımızda belli kimyevi-elektriksel kombinasyonlara ulaşıp anlam kazanırlar. Bizi ilgilendiren kısım şu an, sesin doğası. Ses, parçacıkların birbiri ile etkileşime geçmesi sonucu yayılır. Bir parçacık titreşir, bu titreşimi diğerine aktarır, bu sayede ses dağılır. Ses, katıda daha hızlı ilerler, zira katı çok daha yoğundur. Kafanızda bazı şimşeklerin çaktığını hissedebiliyorum, evet kuvvet de aynı şekilde iletiliyor. Bloğun bir yüzeyini ittirdiğinizde, elinizdeki itme enerjisi, hemen temasındaki parçacıkları hareket ettiriyor ve, o parçacıklar bir diğer parçacığı, o parçacık, bir diğerini, o diğeri, diğerini…kuvvet bu sayede iletilmiş oluyor. Kuvvetin nasıl iletildiğini aşağı yukarı çözdük, peki, ortalama bir hız sınırı? Cevabı tahmin edebilirsiniz, kuvvetin hız sınırı katılarda ses hızı kadardır. Fakat, her cisim için sabit bir kuvvet sınırı yoktur. Cismin, yoğunluğuna bağlı bir sınırımız bulunmaktadır. Bir cisim ne kadar yoğunsa, kuvvet iletimi o kadar hızlıdır, yani o kadar kolay itilebilir, çekilebilir.
Bu yoğunluk dinamiğini en uygun şekilde anlamanız için, bir kilo demir ve bir kilo pamuk aldığımızı farzedelim. Bittabi aralarında mükemmel bir hacim ve yoğunluk farkı bulunacaktır. Bir kilo demiri, iterken sorun yaşamazsınız. Yoğunluğu sayesinde kuvvet parçacıklar arasında hızlı bir iletime sahip olur. Fakat pamuk yığınını itmek o kadar kolay olmayacaktır. Yığını bir taraftan ittiğinizde, eliniz yığının içerisine göçecektir. Zira, pamuğun yoğunluğu daha az olduğu üzere kuvvet iletimi beklenildiği kadar sürekli gerçekleşmez. Demir, düzenli bir dizilime sahipken, pamuk daha rastgele bir dizilime sahiptir. Bu yüzden uyguladığınız kuvvet, yığının her tarafına eşit dağılamaz. Pekala, kuvvet bir ses midir? Ne de olsa, bir ses gibi cisim içerisinde yayılıyor, bir parçacık diğerine, bir diğer parçacık diğerine yükleniyor. Bu sorunun cevabı, aslına bakarsak hayır, ses bir enerjidir, kuvveti vardır. Kuvvet, bir cisimde şekil deformasyonuna, ivmeye, durmaya sebep olan etkidir. Enerji sayesinde gerçekleşir. İlk örneğimizde, kasların belli biyolojik dönüşümler sayesinde açığa çıkardığı enerji kaynaklıdır. Bir itiş kuvveti yaratılır ve bu kuvvet, parçacıktan parçacığa iletilir. Ses, itiş kuvvetinin ani ve kuvvetli gerçekleşmesiyle de meydana gelebilir. Bir cisme yumruk atıldığı zaman, cismin parçacıkları çok hızlı yayılır, çevresindeki havayı da titreştirir ve kulağımıza ses olarak yansır. Akabinde, yumruğu sürekli ittirirsek de cisim hareket eder yahut deforme olur, hatta hareket ediyorsa, hareketini durdurabilir. Aynı zamanda, ses ile de cisimlerde deformasyona hatta harekete sebep olabileceğimizi biliyoruz. Ses, kombine titreşimlerdir ve bu titreşimler harekete, deformasyona ve ısı artımına neden olabilir. Yani, ses de bir çeşit kuvvet uygulayabilir.
Kuvvetin ikileme düşüren, yarı soyut doğasına bir göz atma şansı yakaladık. Sese, enerji dönüşümlerine bir göz gezdirdik ve öğrendik ki, kuvvetin de bir hız sınırı bulunuyormuş. Kabaca, katılarda ses hız sınırına eşit bir değer.