Yerçekimi
Havaya fırlatılan bir taşın önünde sonunda yere düştüğünü herkes bilir. Taşın düşmesine neden olan, Dünya’nın çekme kuvvetidir ve bu kuvvete yerçekimi kuvveti denir. 17. yüzyılda Sir Isaac Newton, herhangi iki cismin birbiri üzerinde çekim kuvveti uyguladığını bulmuş ve cisimlerin kütlesinden kaynaklanan bu kuvveti kütleçekim kuvveti olarak adlandırmıştır. Yerçekimi de bir tür kütleçekim kuvvetidir.
İÖ 4. yüzyılda yaşamış olan Eski Yunanlı filozof Aristo, ağır cisimlerin hafif olanlardan daha hızlı düştüğünü ileri sürmüştü. Bu düşünce, İtalyan bilim adamı Galileo Galilei’nin (1564-1642), bütün cisimlerin (hava direncinin etkisi bir yana bırakılırsa) aynı hızla düştüğünü ve düşen bir cismin ulaştığı hızın yalnızca düştüğü yüksekliğe bağlı olduğunu kanıtlamasına kadar geçerliliğini korudu.
Galileo, düşen cisimlere ilişkin iki yararlı kural buldu. Bunlardan birincisi, düşen bir cismin hızının her saniye, saniyede 10 metre kadar hızlandığıdır. Eğer saniye sayısına t dersek, cisim serbest bırakıldıktan t saniye sonra, saniyede 10xt metrelik bir hıza ulaşacaktır. Galileo’nun bulduğu ikinci kural da şudur: Cismin t kadarlık bir süre içindeki ortalama hızı saniyede 5xt metre olacağından, cisim bu süre sonunda 5xtxt metrelik bir yükseklikten düşmüş olacaktır. 5xtxt, kısaca 5t kare olarak yazılabilir.
Demek ki, düşen bir cismin hızı serbest bırakıldıktan 3 saniye sonra saniyede 3x10=30 metreye ulaşacak ve bu süre içinde cisim 5 x 3 x 3 = 45 metre düşmüş olacaktır.
Ama uygulamada, düşen cisim havanın direnciyle yavaşlayacağından, tam olarak bu düşme hızına ve yüksekliğine ulaşılamaz. Vakumda (hiç hava bulunmayan bir ortamda) ise bu kurallar tümüyle geçerlidir ve cismin kütlesi düşme hızını etkilemez.
Alman astronom Johannes Kepler (1571- 1630), Danimarkalı arkadaşı Tycho Brahe’nin (1546-1601) gözlemlerinden yararlanarak gezegenlerin Güneş’in çevresinde dolanırken izledikleri kesin yörüngeleri saptadı; daha sonra İngiliz Sir Isaac Newton gezegenlerin bu tür yörüngeler izlemelerinin nedenini açıklayan evrensel kütleçekim yasasını ortaya koydu. Newton yasasına göre, evrendeki her madde parçacığı bütün öbür parçacıkları çeker. Çekim kuvveti iki özelliğe bağlıdır: Parçacık kütlelerinin (içerdikleri madde miktarlarının) çarpımına ve aralarındaki uzaklığa. Bu kuvvet, kütlelerin çarpımıyla doğru, aralarındaki uzaklığın karesiyle ters orantılıdır. Buna göre, parçacıklardan birinin kütlesi iki katma çıkarılırsa, çekim kuvveti de ikiye katlanır; ama, parçacıklar arasındaki uzaklık iki katına çıkarılırsa çekim kuvveti dörtte birine iner. Newton bu önemli yasayı Ay’ın Dünya çevresindeki yörüngesini hesap etmek için kullanarak sınadı ve yasa doğru sonuç verdi. Fizikçiler kütleçekim etkileşiminden, graviton adı verilen bir parçacığın sorumlu olduğunu ileri sürmektedirler.
Yüksekten bırakılan bir gülle, Dünya ile gülle arasındaki çekim kuvveti nedeniyle yeryüzüne düşer. Güllenin kütlesi iki katma çıkarılırsa kuvvet de iki katına çıkar; ama, hızlandırılacak madde miktarı da iki katına çıktığından gülle (Galileo’nun söylediği gibi) gene aynı hızla düşer.
1820’lerde, o zamanlar Güneş’e en uzak gezegen olarak bilinen Uranüs’ün beklenen yörüngede hareket etmediği keşfedildi. Ya Newton’ın yasası yanlıştı ya da Uranüs’ün ötesinde onu çeken bir başka gezegen vardı. Bir İngiliz ve bir Fransız astronom, birbirlerinden habersiz olarak, bu bilinmeyen gezegenin izlemesi gereken yörüngeyi hesap ettiler ve öteki astronomlara bu gezegeni bulmak için gökyüzünde nereye bakmaları gerektiğini söylediler. Böylece 1846’da Neptün bulundu ve Newton yasası doğrulandı. 1930’da, daha da uzaktaki gezegen Plüton da hemen hemen aynı biçimde keşfedildi.
Kütleçekim kuvveti, her cismin ağırlığı ağırlık merkezi denen bir noktada yoğunlaşmış gibi etkide bulunur. Küre ya da küp gibi düzgün cisimlerde bu nokta cismin tam ortasında yer alır. Başka cisimlerde ise bu noktanın yeri cismin serbestçe bir ipe asılmasıyla bulunabilir; bu durumda cisim, ağırlık m erkezi ipin doğrudan altına gelecek biçimde bir konum kazanır.
Bir cismin ağırlık merkezinin yeri bazen önem kazanır. Örneğin yüksek taşıtlar, ağırlık merkezleri aşağıda kalacak biçimde tasarımlanır; böylece aracın “havaleli” olması (ağırlığın tepede kalması) önlenir. Böylece taşıt, ancak ağırlık merkezi tekerleklerinin dışına çıkacak kadar yana yatarsa devrilir. Cismin üzerinde etkiyen kütleçekim kuvvetine o cismin ağırlığı denir; kütlesi 1 kilogram (kg) olan bir cismin ağırlığı yaklaşık olarak 10 newtondur. Konuşma dilinde “ağırlık” kütleyi anlatır. Bir çuval patatesi tarttığımızda çuvaldaki patateslerin ağırlığını (miktarını) buluruz; ama sonucu kütle birimleriyle, örneğin “5 kg” biçiminde ifade ederiz. Ay’da patates çuvalı gene aynı miktarda madde içerir ve kütlesi de gene 5 kg olurdu. Ama, Ay Dünya’dan daha küçüktür; dolayısıyla da kütleçekimi daha azdır (Dünya’nınkinin altıda biri kadar). Bu yüzden patates çuvalının Dünya’daki ağırlığının 50 newton olmasına karşılık Ay’daki ağırlığı yaklaşık 8,3 newton olurdu. Astronotlar ağırlıkları daha az olacağı için Ay’da çok daha yükseğe sıçrayabilirler.
Dünya ekvator kesiminde daha şişkindir. Bu, Dünya’nın kendi ekseni çevresindeki dönme hareketinin de katkısıyla, kütleçekim kuvvetini azaltır; bu nedenle de bir cismin ekvatordaki ağırlığı kutuplardaki ağırlığının biraz daha altında olur.
İki kefeli terazide kütleçekim kuvvetinden yararlanılarak iki cismin kütleleri kıyaslanır; bu nedenle bu tür teraziler her zaman doğru sonuç verir. Ama bir yaylı terazi kütle üzerinde etkiyen kütleçekim kuvvetinin yayı ne kadar gerebildiğim ölçer. Bu nedenle kütleçekim kuvveti değiştikçe yaylı terazinin ölçümü de değişir.
Newton kütleçekimiyle ilgili çalışmaları sırasında, yüksek bir kayalığın tepesinden yatay olarak fırlatılan cisimlerin izlediği yolu da inceledi. Bu cisimler yerçekiminin etkisiyle, havada bir eğri çizerek yere düşüyordu. Newton yeterince yüksek bir hızla fırlatılan bir cismin yol eğrisinin yeryüzü eğrisiyle aynı olacağını ve bu cismin tıpkı Ay gibi Dünya’nm çevresinde dolanacağını ileri.sürdü. Newton’ın bu düşüncesi doğruydu; ama, bu iş için cismin çok hızlı, saatte yaklaşık 28.000 kilometrelik bir hızla atmosferin dışına fırlatılması gerekiyordu; aksi takdirde cisim karşılaşacağı hava direnci nedeniyle hızla,yavaşlayacak ve yere düşecekti. Oysa Dünya’dan yeterince yükseğe çıkarılabilmiş bir cisim hava direnciyle karşılaşmaz ve dolayısıyla da hız kaybetmeksizin Dünya’nın çevresinde birçok kez dolanabilir. Bugün yapma uydu denen ve roketle atmosfer dışına gönderilen birçok cisim vardır.
Bir yapma uydunun Dünya'dan yüksekliği, onu yere doğru çeken yerçekimi kuvvetinin büyüklüğünü belirler; uydunun hızı. Dünya’nın çevresinde belirli bir yörünge üzerinde kalmasını sağlayacak biçimde bu büyüklüğe göre saptanır. Verili bir yükseklik için, uydunun kabaca dairesel bir yörünge çizmesini sağlayacak belirli bir hız düzeyi vardır; bu hızın altında uydu bir sarmal çizerek Dünya’ ya düşer. Gene aynı yükseklikte, bu hızın üstündeki bir yörünge hızı uydunun bir elips çizerek Dünya’dan uzaklaşmasına neden olur. Eğer bir cismin hızı dairesel bir yörünge izlemesi için gerekli olan hızın kabaca 1 buçuk katı kadarsa, bu cisim hızla Dünya'nın kütleçekim alanının dışına çıkıp uzayın derinliklerine doğru yol alır. Kurtulma hızı denen bu hız, Dünya için saatte yaklaşık 40.000 km, Ay için ise saatte 8.500 kilometredir.