MERKEZCİL KUVVET VE HAREKET YASALARI
Bir kütle, dairesel bir yörünge üstünde hareket ettiğinde, merkezkaç vemerkezcil kuvvetler ortaya çıkar. Bir ipin ucuna bağlanan taş, bireksen çevresinde döndürülürse, yörüngeye teğet doğrultuda fırlayıpkaçmaya çalışır. Taşı sürekli olarak yörünge dışına kaçmaya zorlayan bukuvvete, merkez kaç adı verilir. Taşın merkezkaç kuvvet etkisinde kalıpuzaklaşmasını önleyen ve onu yörüngede tutan kuvvetse, merkezcil kuvvetdiye adlandırılır. Merkezkaç ve merkezcil kuvvetlerin şiddetleri aynı,yönleri terstir ve her zaman ikisi birlikte bulunur.
1687’de Sir İsaac NEWTON üç ünlü hareket yasası yayınlamıştır. Birinciyasada, bir kuvvet etki etmediği sürece her taneciğin, ya belirli birkonumda kaldığı yada düzgün bir hızla hareket ettiği belirtilmiştir.Hız, doğrultu belirtilmeksizin, yolun zamana göre değişimi diyetanımlanır. Oysa yönlendirilmiş hız, belirli bir yöndeki hızdır. Taş,değişmez bir hızla döndüğünden, düzgün bir hareket yapmaktadır. Ama,hareketin doğrultusu her an değiştiğinden, yönlendirilmiş hızı da heran değişmektedir. Newton’un birinci hareket yasasına göre, taşınetkilendiği merkezcil kuvvet, hızın değişmesine neden olmaktadır. İvme,zamana göre hızın değişmesi diye tanımlandığından, taşın ivmeli birhareket yaptığı söylenebilir. Bu ivme, dairesel yörünge boyuncadeğildir; yörüngeye dik, yani dönme eksenine doğrudur. Değeriyse,yörünge hızının karesinin, yörüngenin yarıçapıyla bölümüne eşittir.
Newton’un ikinci hareket yasasına göre; bir cisme etki eden kuvvet, ocismin kütlesi ile kuvvetin oluşturduğu ivmenin çarpımına eşittir.Burada ivmenin yönü, kuvvetin yönüyle aynıdır. Dolayısıyla, taşıetkileyen merkezcil kuvvet, taşın kütlesi ile merkeze doğru olanivmenin çarpına eşittir.
MERKEZCİL KUVVETTİN KULLANILDIĞI ÖRNEKLER
REGÜLATÖR, MERKEZKAÇ
Merkezkaç regülatör, dizel motoru (gemilerde kullanılanlar) ya da buhartürbini (elektrik altörnatörünü döndürenler) gibi birincil işmakinalarının dönme hızını denetleyen bir otomatik düzenleme sistemidir.
Geri besleme:buhar gücüyle çalışan makinaların başlandığı yıllarda,hızı denetleyen regülatörler döner toplu aygıtlardı. Döner topluregülatörler, üstlerindeki kolun merkezkaç kuvvetler sonucu bir yayakarşı hareket etmesiyle, motor hızlarını ölçerlerdi. Bu yalınregülatörler, geri besleme yoluyla çalışırdı; yani sistem,denetimaltındaki niceliğin ölçülmesiyle elde edilen verilerin kullanılmasıyla, sürekli olarak ayarlanırdı. İstenen hızın elde edilmesi için yay,önceden belli bir miktar gerilirdi. Böylece, makinanın sağladığı güçteönceden bilinemeyecek bir değişiklik sonucu hızda bir sapma olduğunda ,gelen buhar ayarlanarak, makinanın gerekli hıza geri dönmesisağlanmaktaydı.
Dalgalanma: 1868’de James Clerk Maxwell, hızdaki istenmeyen oynamanınmatematiksel açıklamasını yaptı. Günümüzde kararsızlık ya da dalgalanmadenen bu hareket, regülatör hızlarının sürekli olarak dalgalanmadığınıgösteriyordu. Sonuç olarak, günümüzde bile, mekanik toplu regülatöryerine, elektrikli tako-jeneratör kullanma olanağı Maxwell’inaçıklaması, klasik otomatik denetim kuramının geliştirilmesini ve buregülatörlerin düzensiz çalışmalarının önlenmesini sağladı.
Kısa bir süre sonra, toplu regülatörün kol yayını, doğrudan hızlaorantılı olarak değil, hızın karesiyle orantılı olarak hareketettirdiği (merkezkaç kuvvetinin doğması nedeniyle) ve bu sisteminduyarlılığının istenen hızla kısa birlikte değişmesi gerektiğianlaşıldı. Sistem düşük hızlarda çok hantal, yüksek hızlardaysa dalgalıolabilmektedir. Ne var ki, demiryolu ve karayolu taşımacılığındakullanılan motorlar gibi birkaç örnek dışında, istenen hızın ya hiçdeğişmemesi ya da çok az değişmesi nedeniyle, bu özellik önem taşımaz.Sonuç olarak, günümüzde bile, mekanik toplu regülatör yerine,elektrikli tako-jeneratör kullanma olanağı bulunmasına karşılık birçokmodern regülatörde hala merkezkaç kuvvetten yararlanılmaktadır.
Yüke duyarlılık: yalın regülatörlerin gecikme adı verilen bir kusurlarıdaha vardır. Motora bindirilen yükün değişmesi durumunda, istenen hızdageçici yada kalıcı bir gecikme ortaya çıkar. Gecikme göstermeyenregülatöre eşzamanlı denir. Bu konun özellikle önemli olduğu alanlardanbiri, elektrik üretimidir. Elektrik üretiminde gecikmeler, alternatifakım frekansını doğrudan etkiler. Bu sistemlerde kullanılanregülatörler, yüke duyarlı aygıtla, motorun hızı kadar , üstündeki yükde ölçülerek, geri beslenir. Yükün ölçülmesi, hareket ettirilen yük ilemotor arasında bir bağlantı kurularak ya da makine içindeki elektrikakımı ölçülerek yapılabilir. Doğal olarak bu, daha büyük b,rkarmaşıklık ve daha zor bir planlama sorunu yaratır.
Yüke duyarlı aygıtın bulunmadığı durumlarda, yükteki bir değişiklik,belirli bir süre alan bir gecikme artışı yaratır. Denetim sistemi,ancak gecikmenin ortaya çıkmasından sonra düzeltme işlemine başlayabildiğinden, regülatörde geçici bir gecikmenin oluşması kaçınılmazdır.Yükteki değişiklikten sonraki geçiş sırasında da , hızda küçük bir hatakalabilir. Buna kalıcı gecikme denir. Kalıcı gecikme, yüke duyarlıaygıt kullanılmadan önlenebilir. Bu amaçla, hem hızdaki gecikmeye, heme gecikmenin değişme hızına karşı tepki gösteren bir regülatörkullanılır.
Yüke duyarlı aygıt kullanıldığında regülatör, yükteki değişmeyse hementepki gösterebilir, yani gecikmenin ortaya çıkmasını beklemez. Dikkatlibir planlamayla, geçici gecikme önemli ölçüde azaltılabilir ve böylecekalıcı gecikme ortadan kalkar.
MERKEZCİL KUVVETTİN KULLANILDIĞI BAŞKA ÖRNEKLER:
Merkezcil kuvvet bazı debriyaj türlerinde kullanılır. Merkezcilkuvvetten bazı kimyasal bileşenlerin birbirinden ayrılmasında dayararlanılır. Uzayda gezegenler ve uzay araçları, kütle çekim kütleçekim kuvvetleri etkisiyle elips ya da daire biçimli harekete zorlanır.
Eğitim-Öğretim / TRForumcu Dershanesi
