.: MERAK ETTİKLERİNİZ  :.

Boyumuzun uzunluğu yerin bize uyguladığı yerçekimi kuvvetini etkiler mi? Yani boyumuz uzun olursa daha mı az ya da daha mı çok yerçekimine maruz kalırız?

Bir insan boyu Dünya’nın yarıçapıyla kıyaslanamayacak kadar küçüktür. Aslında yerin çekiminden etkilenmemizi sağlayan en önemli faktör kütledir. Dolayısıyla uzun boylu insanlar, kütleleri daha fazla olduğu için yerçekiminden daha fazla etkilenirler.
 

Yolcu uçaklarının uzun mesafeli uçuşlarında, Dünya'nın kendi ekseni çevresindeki dönüş yönü ve hızı uçuş süresini etkiler mi? Bir arkadaşım Türkiye'den ABD'ye gidiş süresinin dönüşten daha kısa olduğunu söyledi. Bu durum merak ettiğim konuyla ilgili mi? İlgilerinize teşekkür ederim.

Bu soru sıkça sorulan fizik soruları arasında yer alıyor. Eskiden bir arkadaşım San Fransisco'dan New York'a 9 saatte gittiğini ve 3 saatte döndüğünü şaka yollu söyler dururdu. Aslında bu yolculuk normalde 6 saat sürüyor. Fakat bu iki şehir farklı zaman dilimlerindeler ve iki saat dilimi arasındaki fark 3 saat. Uçaktan indiğinizde de saatlerinizi ayarlamak zorunda kaldığınız için, kol saatiniz yolculuğun normalden daha uzun ya da daha kısa sürdüğü gibi yanlış bir imaj uyandırabiliyor. Arkadaşım New York'a 6 saatte gitmiş ve havaalanında saatini 3 saat ileri almış. Bu yüzden sanki 9 saat geçmiş gibi bir izlenim edinmiş. Eğer yazının devamını okursanız Ayhan'ın arkadaşının büyük bir olasılıkla böyle bir yanılgıya düşmüş olduğunu göreceksiniz.
Ama bu Ayhan'ın sorduğu soruya bir yanıt değil. Gerçekten Dünya'nın kendi ekseni etrafında dönüşü uçağın varış süresini gittiği yöne bağlı olarak etkiliyor mu etkilemiyor mu sorusu yanıtlanmaya değer.
Bu ve buna benzer bir çok soruda, vereceğimiz yanıtı daha da netleştirmek için sorudakine benzer değişik durumları incelemek genellikle iyi bir yöntem. Soruyu uçak yerine, araba için de sorabiliriz. Acaba iki şehir arasında biri doğuya diğeri batıya doğru hareket eden iki araba, varacakları yere birbirlerinden farklı sürelerde mi ulaşırlar ya da aynı yakıtı mı harcarlar?
Fizikte sıkça kullanılan "görelilik ilkesi" gereği yanıt her iki araba için aynı olmalı. Bu ilkeye göre sabit hızla hareket eden bir cismin içinde, örneğin bir trende, hareketler o cisme göre betimlenirse fizik kanunları aynı kalır. Yani bu trendeki fizikçiler trenin durduğunu varsayıp aynı sonuçlara ulaşabilirler. Yerde bütün yönlere doğru aynı güçlükle yürüdüğümüz gibi tren içinde de ileriye ya da geriye doğru yürürken bir fark hissetmeyiz. Arabalar da hareketleri için yerden kuvvet alırlar ve gidecekleri mesafe yere göre sabittir. Dünya'nın uzaydaki hareketinin bu tip olaylarda bir önemi yok.
Eğer bu cevap sizi ikna etmediyse, yerin Dünya'nın dönüşünden dolayı olan hareketinin hızını hesaplayın. Biz bunu Ankara için hesapladık ve saatte yaklaşık 1,300 km'lik bir hız bulduk! Bu kadar müthiş bir hızla hareket eden bir yer üzerinde saatte 100 km, en fazla 200 km hızla hareket eden arabalar bu hızdan etkileniyor olsalar, bu etki çok açık bir şekilde görünüyor olurdu. Hatta doğuya doğru değil yürümek, bir taşıtla bile gitmek imkansız olurdu!
Uçaklar da hareketleri için havadan kuvvet alırlar. Bu nedenle aynı yakıtı harcayarak havaya göre aynı hıza erişirler. Dünya dönerken etrafını saran havayı da kendisiyle beraber döndürüyor. Böyle olunca yerden bakan birine göre toprak gibi hava da hareketsizmiş gibi duruyor. Böylece aynı yakıtı harcayan uçakların hareketinde de Dünya'nın dönüşünün bir etkisinin olamayacağını rahatlıkla söyleyebiliriz. Kısaca tekrarlarsak, normal, rüzgârsız bir havada değişik yönlere giden uçaklar, havaya göre olduğu gibi yere göre de aynı hızla hareket ederler.
Rüzgârlı havalarda durum değişir. Eğer havaya göre aynı hızla giden uçakları düşünürseniz, (bu her uçak aynı yakıtı harcıyor demek) rüzgârla aynı yönde giden uçak yere göre daha hızlı gidiyordur; çünkü hem uçak havaya göre belli bir mesafe kat eder, hem de rüzgâr havayı ve içindeki uçağı bir miktar ileriye taşır. Uçak, rüzgâra ters yönde girmişse bu uçak yere göre daha yavaştır. Sonuç olarak şunu söyleyebiliriz. Eğer İstanbul'dan Ankara'ya doğru kuvvetlice bir rüzgâr esiyorsa, İstanbul-Ankara uçuşu daha kısa, Ankara-İstanbul uçuşu daha uzun sürer.
Rüzgârların belki de en ilginç olanı Jet-Stream diye adlandırılan ve yerden 10-30 km yukarıdan esen güçlü hava akımları. Bunlar sürekli aynı yönde, batıdan doğuya doğru ve saatte 100-400 km hızlarla esiyorlar. Yerden hissedilmeyen Jet-Stream ilk defa 2. Dünya Savaşı sırasında bombardıman uçakları tarafından keşfedildi. O zamandan beri bu rüzgârlar üzerinde yapılan çalışmalar bunların Dünya'nın dönüşünün etkisiyle basitçe açıklanamayacak bir şekilde oluştuğunu gösteriyor.
Normal yolcu uçakları havaya göre 800 km/saat hızla giderler. Eğer doğuya doğru uçan bir uçak 200 km/saat hızla esen bir Jet-Stream içine girerse yere göre hızı 1,000 km/saat olur. Eğer uçak ters yönde giderse bu defa hızı yere göre 600 km/saat olacaktır. Bu, yolculuk süresi ve uçağın harcadığı yakıt olarak %66'lık bir fark demek.
Yolcu uçaklarının bu rüzgâra ters yönde girmemek gibi bir alternatifleri yok. Uluslararası kurallar gereği uçaklar daha önceden belirlenmiş hava yollarını kullanabilirler ve ancak belli yüksekliklerde uçabilirler. Bu nedenle Jet-Stream'e ters yönde giren uçaklar da var. Yolculuk süresi de bu rüzgârın hızına bağlı olarak uzayıp kısalabiliyor.
Ayhan'ın sorduğu soruya geri dönersek, doğuya doğru olan yolculuklar daha kısa, batıya doğru olan yolculuklar daha uzun olmalı. Normalde Türkiye-New York seferi 11 saat sürüyor ve dönüş yolculuğuysa 9 saat. Jet-Stream hızlarında mevsimsel değişimlerle bu süreler değişebilir ama genel olarak bir fark olduğunu rahatlıkla söyleyebiliriz. Bu fark Ayhan'ın arkadaşının söylediğinin tam tersi olduğuna göre, ya arkadaşı farklı zaman dilimlerinden etkilenmiş ya da olay aktarılırken yönler ters aktarılmış olmalı.

… Bilindiği gibi -273 °C'de atomlar titreşme yapmazlar. Buna bağlı olarak da bu sıcaklıkta bir direnç göstermezler. Çünkü direnç, maddenin cinsine bağlı olduğu gibi sıcaklığa da bağlıdır. … Kuantum fiziğinde bir molekülün … [en düşük enerji seviyesinde bile bir titreşme hareketi yaptığını gördük.] Ben buradan, cismin sıcaklığı ne olursa olsun, moleküllerinin her durumda bir enerjiye sahip olacağı anlamını çıkarıyorum. -273 °C'de bile bir molekül mutlaka titreşecektir. Titreştiğinden dolayı da bir dirence sahip olacaktır. … Bu çelişkiyi nasıl açıklayabiliriz?

İlk önce, her maddenin atomlarının en düşük sıcaklıkta bile bir titreşim hareketi
yaptığını belirtmemiz gerekiyor. "Sıfır noktası hareketi" olarak adlandırılan
bu olay tamamen bir kuantum etkisi. Bu hareketin varlığını anlamak için kuantum
belirsizlik ilkesi kullanılıyor: Bir cismin hareket etmemesi hızının sıfır olması
anlamına gelir, yani hızda herhangi bir belirsizlik yoktur. Belirsizlik ilkesine
göre konum ve hızdaki belirsizliklerin çarpımı belli bir değerden büyük olmak
zorunda. Bu durumda konumun belirsizliğinin sonsuz olması gerekir. Eğer elinizde
tuttuğunuz bir maddenin atomlarının komşu galakside de bulunabilme olasılığının
var olduğuna inanmıyorsanız, böyle bir şeyin olanaksız olduğunu çıkarırsınız.
Yani, herhangi bir cismin durması, hangi şart altında olursa olsun, mümkün değildir.

Öte yandan, mutlak sıfır sıcaklığı (0 Kelvin ya da -273.15 °C), bir cismin sahip
olabileceği en düşük sıcaklık anlamına geliyor. Bir cismin soğuması çevresine
ısı vermesiyle mümkün olduğu için, cisim en düşük enerjiye sahip olduğu anda
0 Kelvin sıcaklığına erişmiş demektir. Artık bu noktadaki bir cismi daha da
soğutmak mümkün değildir. Dikkat etmemiz gereken nokta, en düşük sıcaklığın
sadece en düşük enerji anlamına gelmesidir, en düşük hareket değil. Mutlak sıfırdaki
bir maddenin atomlarının yaptığı sıfır noktası hareketi bir kuantum etkisi olduğu
için, hareketin varlığı cismin fiziksel özelliklerini çok küçük oranda değiştiriyor,
ama bir çok durumda bu küçük oran ölçülebiliyor. Helyumun, (atmosfer basıncında)
hiç bir sıcaklıkta donmamasının temel nedeni bu sıfır nokta hareketi.

Aynı hareketin atom içindeki elektronlarda da olduğunu belirtelim. Elektronlar
en düşük enerji seviyesinde bulunduklarında bile elektronların çekirdek çevresinde
dönme hareketleri devam eder.

Şimdi gelelim arkadaşımızın sorusunun en önemli kısmına. Madem her maddenin,
0 Kelvinde bile bir hareketi var, niye bu hareket bir dirence neden olmuyor?
Bu soruya vereceğimiz yanıt, sıfır nokta hareketinin bildiğimiz anlamda hareketten
oldukça farklı olduğunu gösteriyor.

Şöyle bir düşünce deneyi yaptığımızı tasarlayalım: Bir atomu en düşük enerji
seviyesine kadar soğuttunuz ve sıfır nokta hareketini ilk elden gözlemlemek
üzere (her nasılsa) kendinizi küçülterek atoma yaklaştınız. Soru şu: atom titreştiğine
göre, iyice yaklaştığınızda size çarpabilir mi?

Eğer söz konusu olan makroskobik bir makine olsaydı fazla yaklaşmamanızı tavsiye
ederdik. Ama, en düşük enerji seviyesinde olan bu atom için böyle bir tavsiyeye
ihtiyacınız yok. Çünkü bu atomun size çarpması, hareketinin, dolayısıyla enerjisinin
bir kısmını size aktarması anlamına geliyor. Atomun size aktarabileceği enerjisi
olmadığı için size çarpması mümkün değil. Başka bir şekilde söylemek gerekirse,
sıfır noktası hareketi öyle bir hareket ki, varlığı ile yokluğu arasındaki farkı
anlamak olanaksız.

Şimdi mutlak sıfır sıcaklığındaki bir metalin neden sıfır dirence sahip olduğunu
açıklayabiliriz. Atomların titreşimlerinden kaynaklanan direncin temel nedeni,
akım taşıyan elektronların atomlara "çarparak" hareket yönlerini değiştirmesi.
Bu çarpışmalar ne kadar fazlaysa ve ne kadar büyük oranda yön değiştiriyorsa
direnç o kadar büyük olur. Çünkü, metalin içinden geçmeye çalışan elektronların
sadece küçük bir kısmı metali boydan boya geçebilir.

Elektronlarla atomların "çarpışması" iki değişik şekilde mümkün olur.
Birinci yolda, elektron enerjisinin bir kısmını atoma verebilir. Bu olayın gerçekleşebilmesi
için, elektronun yeteri kadar fazla enerjisi olması gerekir. Çünkü, atom bir
üst enerji seviyesine çıkabilmek için belli bir miktar enerjiye ihtiyaç duyar.
Eğer elektronda bu kadar enerji yoksa, bu olay gerçekleşemez. Elektronların
sahip oldukları enerji, metale uygulanan voltajla orantılı olduğu için, ve genellikle
direnç ölçümlerinde düşük voltajlar kullanıldığı için bu tip olaylar çok düşük
bir oranda gerçekleşir. (Direnç voltajla akımın oranı olduğu için, voltajı ne
kadar küçük seçerseniz seçin direnç değişmez.) Dolayısıyla direnç bu tip "çarpışmalardan"
kaynaklanmıyor.

İkinci yolda, elektron atomdan bir miktar enerji alabilir. Daha yüksek bir enerjiye
sahip olan elektron bir süre hareket ettikten sonra bu fazla enerjiyi başka
bir atoma verir ve ikinci bir saçılma gerçekleşir. Bu olay dizisinin gerçekleşebilmesi
için, enerji veren atomun en düşük enerji seviyesinde olmaması lazımdır. Dolayısıyla
sıfır nokta hareketi yapan atomlar, kesinlikle böyle bir olaya karışmazlar.
Oda sıcaklığındaki metallerin direnci temelde bu tip çarpışmalardan kaynaklanır.

Mutlak sıfır sıcaklığına sahip bir metalden geçen düşük enerjili bir elektron,
atomlarla her iki şekilde de "çarpışamayacağı" için, saçılmadan yoluna
devam eder. Sonuç: sıfır direnç.

Atomların titreşimleri, metallerde dirence neden olan tek etmen değil. Metal
içindeki yabancı atomlar, kristal yapıdaki düzensizlikler, hatta maddenin bir
dış yüzeyinin varlığı bile düşük sıcaklıklarda bir direncin ortaya çıkmasına
neden olurlar. Fakat oda sıcaklığındaki bir metalde dirence neden olan en büyük
etmen atomik titreşimlerdir. Mutlak sıfır civarındaki düşük sıcaklıklarda, bu
etmen, yukarıda açıkladığımız nedenden dolayı tamamen ortadan kayboluyor.

Aynı hareketin atom içindeki elektronlarda da olduğunu belirtelim. Elektronlar
en düşük enerji seviyesinde bulunduklarında bile elektronların çekirdek çevresinde
dönme hareketleri devam eder.

Şimdi gelelim arkadaşımızın sorusunun en önemli kısmına. Madem her maddenin,
0 Kelvinde bile bir hareketi var, niye bu hareket bir dirence neden olmuyor?
Bu soruya vereceğimiz yanıt, sıfır nokta hareketinin bildiğimiz anlamda hareketten
oldukça farklı olduğunu gösteriyor.

Şöyle bir düşünce deneyi yaptığımızı tasarlayalım: Bir atomu en düşük enerji
seviyesine kadar soğuttunuz ve sıfır nokta hareketini ilk elden gözlemlemek
üzere (her nasılsa) kendinizi küçülterek atoma yaklaştınız. Soru şu: atom titreştiğine
göre, iyice yaklaştığınızda size çarpabilir mi?

Eğer söz konusu olan makroskobik bir makine olsaydı fazla yaklaşmamanızı tavsiye
ederdik. Ama, en düşük enerji seviyesinde olan bu atom için böyle bir tavsiyeye
ihtiyacınız yok. Çünkü bu atomun size çarpması, hareketinin, dolayısıyla enerjisinin
bir kısmını size aktarması anlamına geliyor. Atomun size aktarabileceği enerjisi
olmadığı için size çarpması mümkün değil. Başka bir şekilde söylemek gerekirse,
sıfır noktası hareketi öyle bir hareket ki, varlığı ile yokluğu arasındaki farkı
anlamak olanaksız.

Şimdi mutlak sıfır sıcaklığındaki bir metalin neden sıfır dirence sahip olduğunu
açıklayabiliriz. Atomların titreşimlerinden kaynaklanan direncin temel nedeni,
akım taşıyan elektronların atomlara "çarparak" hareket yönlerini değiştirmesi.
Bu çarpışmalar ne kadar fazlaysa ve ne kadar büyük oranda yön değiştiriyorsa
direnç o kadar büyük olur. Çünkü, metalin içinden geçmeye çalışan elektronların
sadece küçük bir kısmı metali boydan boya geçebilir.

Elektronlarla atomların "çarpışması" iki değişik şekilde mümkün olur.
Birinci yolda, elektron enerjisinin bir kısmını atoma verebilir. Bu olayın gerçekleşebilmesi
için, elektronun yeteri kadar fazla enerjisi olması gerekir. Çünkü, atom bir
üst enerji seviyesine çıkabilmek için belli bir miktar enerjiye ihtiyaç duyar.
Eğer elektronda bu kadar enerji yoksa, bu olay gerçekleşemez. Elektronların
sahip oldukları enerji, metale uygulanan voltajla orantılı olduğu için, ve genellikle
direnç ölçümlerinde düşük voltajlar kullanıldığı için bu tip olaylar çok düşük
bir oranda gerçekleşir. (Direnç voltajla akımın oranı olduğu için, voltajı ne
kadar küçük seçerseniz seçin direnç değişmez.) Dolayısıyla direnç bu tip "çarpışmalardan"
kaynaklanmıyor.

İkinci yolda, elektron atomdan bir miktar enerji alabilir. Daha yüksek bir enerjiye
sahip olan elektron bir süre hareket ettikten sonra bu fazla enerjiyi başka
bir atoma verir ve ikinci bir saçılma gerçekleşir. Bu olay dizisinin gerçekleşebilmesi
için, enerji veren atomun en düşük enerji seviyesinde olmaması lazımdır. Dolayısıyla
sıfır nokta hareketi yapan atomlar, kesinlikle böyle bir olaya karışmazlar.
Oda sıcaklığındaki metallerin direnci temelde bu tip çarpışmalardan kaynaklanır.

Mutlak sıfır sıcaklığına sahip bir metalden geçen düşük enerjili bir elektron,
atomlarla her iki şekilde de "çarpışamayacağı" için, saçılmadan yoluna
devam eder. Sonuç: sıfır direnç.

Atomların titreşimleri, metallerde dirence neden olan tek etmen değil. Metal
içindeki yabancı atomlar, kristal yapıdaki düzensizlikler, hatta maddenin bir
dış yüzeyinin varlığı bile düşük sıcaklıklarda bir direncin ortaya çıkmasına
neden olurlar. Fakat oda sıcaklığındaki bir metalde dirence neden olan en büyük
etmen atomik titreşimlerdir. Mutlak sıfır civarındaki düşük sıcaklıklarda, bu
etmen, yukarıda açıkladığımız nedenden dolayı tamamen ortadan kayboluyor.