Fizik / Astrofizik Tüm Yazılar

G Kuvveti Nedir, Ne Yapar?

Hazırlayan: Berkan Alptekin
Facebooktwittergoogle_plusredditlinkedintumblrmail

Yol açık, kemeriniz bağlı. Aracınızın sıfırdan 100 kilometreye kaç saniyede çıkacağını test etmeye karar verdiniz. Trafiğe kapalı alanda olduğunuzu ve hız sınırı olmadığını varsayarak gaza bastınız.

Yaklaşık 6 saniyede aracınızın sürat ibresi saatte 100 kilometreye ulaştı ve siz bu hızlanma boyunca koltuğunuza yapıştınız. İşte sizi koltuğunuza yapıştıran bu hızlanma, üzerinize uygulanan  G-kuvvetinin  bir bileşenidir ve yaklaşık olarak 0,44  g  değerine eşittir.

Arabayı durdurdunuz ve dışarı çıktınız. Üzerinize hala bir  g-kuvveti  uygulanıyor ancak bunu hızlanma olmadığı için hissetmiyorsunuz. Bu  g kuvveti  Dünya’nın yerçekiminden kaynaklanmaktadır ve sizi Dünya’nın merkezine doğru 1  g  sabit değeri ile hızlandırmaya çalışmaktadır.

Burada not düşmekte fayda var; eğer aracınızı durduramayıp saate 100 kilometre süratle sabit bir duvara, engele, araca çarparsanız, maruz kalacağınız yaklaşık 100  g   kuvvet , organlarınızda ve damarlarınızda ciddi iç kanamalara ve parçalanmalara sebep olur, ne kadar iyi bir sürücü olduğunuz önemsizleşir, siz ve başka insanlar büyük ihtimalle böyle kazalardan sağ kurtulamaz. İnsan denilen canlının, yolda yürürken düştüğünde kafasını kaldırım kenarına çarpıp ölebilecek kadar zayıf yapılı olduğunu unutmayın.

Bu arada, not olarak şunu söylemeliyiz: Böylesi kazalarda arabaların ön kısımlarının ağır hasar alma nedeni, adeta bir yay gibi oluşan şoku emmeleri için tasarlanmalarından dolayıdır. Bu da, sizin 100  g  değil, daha az (30-40)  g-kuvvetine maruz kalmanıza neden olur ve hayatta kalma şansınızı artırır. Yoksa, otomobil üreticileri duvara çarptığında çok daha az hasar alabilen arabaları rahatlıkla üretebilir. Fakat, arabanın sağlam kalması sizi hayatta tutmaz. 

G   kuvveti  nedir?

G   Kuvveti , adını kütle çekimi anlamına gelen “gravitational” kelimesinden alır. Hızlanma ölçer (Akselerometre) ile ölçülebilen hızlanma (ivmelenme) değerlerine  g kuvveti  denir. Yani bir cismin herhangi bir yönde, kendisine uygulanan bir  kuvvet  sayesinde hızlanarak ve yavaşlayarak “ağırlık” (weight) değeri üretmesi  g-kuvveti  sayesindedir. Ağırlık üretilmesi için maruz kalınan hızlanmanın bir dirençle karşılaşması gerekmektedir. Bu direnç kaynağı hava olabilir, katı veya sıvı yüzeyler olabilir. Bir uçak, havanın kendisine uyguladığı direnç sayesinde g-kuvvetlerine  maruz kalır. Arabanız, havanın ve yerin uyguladığı direnç  kuvvetlerinin bileşeni yönünde  g-kuvveti  üretmektedir. Ancak yörüngedeki bir uzay aracındaki astronot sadece motorları çalıştırdığında, koltuğunun kendisine ürettiği direnç sebebiyle  g-kuvvetine maruz kalır, diğer durumlarda  g kuvveti  oluşmaz, yani ağırlıksızdır.

Şu anda biz Dünya’nın kütle çekiminin etkisi altındayız ancak hissettiğimiz 1  g  değerindeki kuvvet , bu kütle çekiminin doğrudan olmayan bir sonucudur. Ayaklarımız altındaki yüzeyin, dünyanın merkezine doğru düşme eğilimimize karşı oluşturduğu direnç, bu  g-kuvvetine neden olur. Eğer paraşütle bir uçaktan atlarsak maruz kalacağımız  g-kuvveti , havanın bize karşı direncinden kaynaklanacaktır. Eğer herhangi bir cismin kütle çekiminin etkisi altındayken bize direnç oluşturacak bir şeyle karşılaşmazsak  g kuvveti  hissetmeyiz. Bu duruma sıfır-g (zero-g) denir. Uluslararası Uzay İstasyonu’ndaki veya Apollo görevlerindeki astronotların, Dünya’nın ya da Ay’ın kütle çekimi etkisi altındayken  g-kuvveti  hissetmemelerinin sebebi budur. Bu sıfır-g durumunda uzay araçlarının herhangi bir itki üretmesi, astronotlara hızlanma vektörünün aksi yönünde  g-kuvveti  olarak yansıyacaktır.

Üzerinize uygulanan  g-kuvveti , az önce yazdığımız gibi ağırlığa sebep olmaktadır. Dünya’daki ağırlığınız 84 kg ise bu Ay’da 13,9 kg, Mars’ta 31,6 kg, Jüpiter’de 198,5 kg gibi değerlere karşılık gelmektedir. Yani ben Mars’ta bu kadar hafifim demek, ufak bir kilo problemi olduğunuz gerçeğini değiştirmemektedir, işe yaramaz, denemeyin :). Kütleniz ve maruz kaldığınıZ g-kuvveti  size ağırlığınız olarak geri döner. Formül şu şekildedir:

Ağırlık = kütle x (-  g-kuvveti )

G-kuvvetinin  başına “-” yazılmasının sebebi  g kuvveti  ve kütlenin çarpımı sonucu üretilen ağırlık  g-kuvvetinin  yönünün tersi yöndedir. Ağırlık oluşturan  g-kuvvetine  aynı zamanda pozitif  g-kuvveti  denmektedir. Aksi durumda ise negatif  g-kuvveti  oluşur. Basit bir örnek ile arabanız hızlanırken pozitif  g-kuvvetine  maruz kalırsınız, arabanız yavaşlarken öne doğru eğilmenize neden olan ise negatif  g-kuvvetidir .

1  g  olarak geçen  g kuvveti  bizim normalimizdir. Arttıkça toleransımız düşer, bilinç kaybından, ölüme kadar değişen sonuçlara sebep olabilir. Pozitif  g-kuvvetine  karşı tolerans limitimiz görece daha yüksek iken, negatif  g-kuvvetlerine  karşı tolerans limitimiz daha düşüktür.

G Kuvveti

Bir roller coaster’da aşağı doğru düşerken yaşadığınız “sıkıntı”, üzerinize uygulanan negatif g-kuvveti nedeniyledir.

İlgi çekici bazı pozitif ve negatif  g-kuvveti  örneklerine ve karşılıkları olan yaklaşık hızlanma değerlerine göz atalım.

0.16 g  / 1.6 m/s²: Ay’da zıpladınız, düşmeye başladığınızda hızınız her saniye, saniyede 1,62 metre kadar artacaktır. Ay’a doğru on saniye süren bir düşüşte saniyede 16,2 metre hızla yere çarparsınız.

1g / 9.8 m/s²: Dünya

3g / 30 m/s²: Uzay mekiği (fırlatma ve atmosfere giriş sırasındaki maksimum değeri); İnsan vücudu 3  g  hızlanmaya 25 saniye boyunca dayanabilir, bunun ardından yüksek  g  hızının negatif etkileri hissedilmeye başlanır.

6.3 g  / 60 m/s²: Roller Coaster; tema park trenleri kısa süreliğine bu yüksek hızlanma değerlerine çıkarak başınızı döndürebilir. Uzun süre maruz kalınmadığı için yüksek-g negatif etkileri hissedilmez.

+7g / +70 m/s² & -5g / -50 m/s²: Akrobasi planörü; motorsuz, süzülme prensibi ile çalışan hava araçları olan planörler, akrobasi manevraları sırasında maksimum bu pozitif ve negatif değerleri üretebilirler.

7,1g / 71 m/s²: Apollo 16 (atmosfer girişi)

9g / 90 m/s²:  G-suit  giyen birçok pilotun limiti

12g / 120 m/s²: Birçok askeri jetin üst limiti

18g / 180 m/s²: Fiziksel hasara neden olabilecek ani  g-kuvveti

50g / 500 m/s²: Ölüm ve ciddi yaralanmaya sebep olabilecek ani  g-kuvveti

100g / 1000 m/s²: Saatte 100 kilometre hızla duvara çarpan bir araba kazası: Emniyet kemeriniz ve airbag donanımınıza çok güvenmeyin, bu  g-kuvvetine  organlarınız da maruz kalmaktadır ve boynunuz kırılmasa bile, birden çok organınız ciddi hasar görür. Bunun yanında ciddi iç kanamalar da geçireceksinizdir. Bu kazalardan canlı kurtulma yüzdesi çok düşüktür. Otobanda saatte 160 kilometre süratle giderken ve önünüzdekilere selektör yaparken tekrar düşünün.

otomobil-kaza-557

Bir otomobil kazasında sizi ön camdan fırlatan etken, g kuvvetidir. Ne kadar güçlü ve dikkatli biri olursanız olun, bu kuvvetin sizi savunmasından bir yerlere tutunarak kurtulamazsınız.

Otomobil kullanmak “ciddi bir iş”tir. Dünya’da her yıl 1 milyon insan nükleer santral kazalarında değil, otomobil kazalarında ölüyor.

Parçalanacak bütün organlarınızı ameliyat edecek cerrahlara ulaşacak ya da organ nakli ile kurtulacak kadar uzun süre hayatta kalamayabilirsiniz. Kurtulsanız dahi, öldüreceğiniz insanların sorumluluğu da sizin üzerinizde olacaktır. Anlaşılacağı üzere 100  g  birçok insan için kesin ölüm anlamına gelir.

200g / 2000 m/s²: Sabit diskler için kapalı durumdayken şok toleransı.

300g / 3000 m/s²: Futbol topunun maruz kaldığı maksimum darbe.

15.500 g  / 150.500 m/s²: Modern askeri top mermilerinin içindeki elektronik aksamın şok toleransı.

31.000 g  / 310.000 m/s²: 9 milimetre tabanca mermisinin maruz kaldığı ortalama  g-kuvveti .

100.000 g  / 1.000.000 m/s²: Etobur karıncaların çenelerinin kapanma  kuvveti .

390.000 g  / 3.900.000 m/s²: Sirius B yıldızı üzerinde ayakta durabilirseniz, maruz kalacağınız g   kuvveti . (Tartıdaki ağırlığınız 100 milyon tondan fazla olacaktır.)

 G-Kuvvetinin  İnsan Üzerindeki Etkisi

G-kuvvetine  olan toleransınız maruz kaldığınız  g-kuvvetinin  şiddetine, süresine, yönüne, kuvvet  merkezine ve vücut pozisyonuna bağlıdır. Vücudunuz oldukça esnek ve ufak deformasyonlara dayanıklıdır. Sağlam bir tokat yüzlerce  g’ye  varan şiddetlerde olabilir ancak anlık olduğu için hasar üretmez. Oysa birkaç dakika boyunca 10-15  g   kuvvete  maruz kalmak öldürücü olabilir.

Askeri jet pilotları,  g-kuvveti  toleranslarını arttıracak eğitimlerden geçerek normal insanların dayanabileceği  g-kuvvetlerinden  daha fazlasına, daha uzun süre dayanabilecekleri seviyeye getirilirler.

G-kuvvetine  tolerans değişken olsa da normal bir kişinin tolerans limiti aşağı yukarı 5  g  iken (lunapark trenlerinde bazı insanların bayılması bundandır), askeri pilotlarda eğitim ve  g-suit denen kıyafetler ile bu limit 9  g  seviyesine kadar çıkabilir. Bu  g   kuvvetlerine  yatay pozisyonda dayanma limitiniz daha yüksektir. Bu sebeple astronotlar uzaya fırlatılırken gökyüzüne bakacak şekilde otururlar. Bu ayakta durmanın zorluğundan değil,  g-kuvveti toleransının artmasından dolayıdır.

Aşağıdaki grafikte, yatay pozisyonda kaç şiddetinde  g-kuvvetine  ne kadar süre dayanabileğiniz gösterilmektedir.

GForceGraph

Artan  g-kuvveti  şiddetlerinde vücudunuz giderek kötüleşen tepkiler gösterir. Örneğin insan limitinin çok üstünde, 16  g   kuvvet  ile uzaya fırlatılan bir rokettesiniz. Öncelikle kan basıncının düşmesi ile “grey-out” denen durum baş gösterir.

Grey-out sırasında görüş kaybı başlar. Gördüğünüz ışık soluklaşır ve kararmaya başlar ve tünel vizyon aşaması ile devam eder. Bu aşamada görüş merkeziniz haricinde etraftaki görüntü bulanıklaşmaya ve tünel şekli ile kaybolmaya başlar.

Tünel vizyonu takiben, tam görüş ve ardından  G-LOC  denen bilinç kaybı yaşarsınız; yani bayılırsınız. Bu bayılmanın esas sebebi, hızlanma yüzünden beyninize giden kanın azalmasıdır. Tahmin ettiğiniz gibi bir süre sonra da ölüm gelir. Neyse ki astronotlar fırlatmalar sırasında maksimum 3  g’ye  maruz kalarak bunların hiçbirini yaşamamaktadırlar. Yani eğitiminiz olmadan siz bile bir uzay mekiği ile fırlatılarak bayılmadan yörüngeye varabilirdiniz.

Dönme (Rotasyon) Ve Yapay Yerçekimi

Uzayda dünya benzeri yerçekimi koşulları oluşturmamızın iki yöntemi vardır. Biri rotasyon yani bir eksen etrafında dönmektir diğeri de hızlanma ve yavaşlamadır. Bilim kurgu filmlerinde uzay gemilerinin, merkez eksen etrafında dönen silindir şekilli halkalarla çevrili olduğunu görürüz. Astronotlar bu halkaların içerisinde Dünya’daki gibi yürümektedir.

Bunun sebebi rotasyon halindeki halka yapı içerisinde, objelerin atalet sebebiyle düz bir çizgi izleyerek hareket etmeleridir. Halkanın yüzeyi de merkezcil ivme sağlayarak, objelerin yüzeyde sabit bir şekilde, yerçekimine benzer bir etkiyle durmalarını sağlar.

Tabii yüzeyde duran herhangi bir objeye  kuvvet  uygulayacak olsanız bu objenin coriolis etkisi ile dönüş yönünde hareket eğiliminde olduğu görülecektir. Bu özellikle optimum olmayan dönüş hızlarında bir astronota baş dönmesi ve rahatsızlık olarak yansıyabilir. Bu etkiyi test etmek amacıyla Uluslararası Uzay İstasyonu’na gönderilmesi düşünülen bir modül planı bulunsa da henüz çalışmalar ciddi şekilde başlamamıştır.

Biraz Eğlenelim Ve Yıldızlararası Bir Uzay Gemisini Hızlandıralım

İnsanlı bir gemiyi Centauri Sistemi’ne yani Güneş’e en yakın yıldız sistemine göndermek istediniz. Sistemin bize en yakın yıldızı Proxima Centauri (Alpha Centauri C) 4,24 ışık yılı mesafede. Günümüzdeki yaygın olan hiç bir yakıt ve roket türü bizi yıldızlara kısa sürelerde taşıyamaz. İyon, plazma, nükleer ve termonükleer roketler dahi yıldızlararası görevler için yeterli değildir. Şu anki bilim ve teknolojimiz, amacımızı sadece ışık yelkenlileri ve antimadde ile yerine getirebileceğimizi göstermekte.

Antimaddeyi örnek alarak konumuza devam edelim. Antimadde, yanımızda gerçekçi ölçülerde taşıyabileceğimiz miktarlar ile bizi ışık hızının yüksek yüzdelerine ulaştırarak insan ömrü içinde ulaşımı mümkün kılabilir. Centauri Sistemi’ne 0,5 c maksimum süratte bir seyir için örnek oran her 1 ton yük için 5,64 ton yakıttır. (2,82 ton proton ve 2,82 ton anti-proton)

Farz edelim uzak gelecekte bolca antimaddeye ve antimadde roketlerine kavuştuk.

Bu anti-madde ile ışık hızının yüksek yüzdelerine ulaşmak uzak gelecekte mümkün olacak. Ancak bu süratlere erişim için mürettebatı 1  g’den  daha fazla hızlanmalara maruz bırakmanın oldukça negatif etkileri olacaktır. Çünkü 2  g  ya da üstü alışık olduğumuz normallerin dışındadır. Yukarıdaki tablodan da görebileceğiniz üzere 4  g  üstü  kuvvetlerde  normal bir insan vücudunun toleransı dakikalara inmektedir. Bu sebeple uygulanabilecek optimum hızlanma 1 g  olacaktır. Bu ayrıca gemide dünya benzeri bir yerçekiminin simüle edilmesini de sağlar. Gemi hızlanma ve yavaşlama durumlarındayken sanki Dünya’daymış gibi yere basıp normal bir şekilde yürüyebilirsiniz. Yüksek  g-kuvvetlerine  dayanmamızı sağlayacak bir yöntemimiz yok. Örneğin sıvı dolu uyku kapsüllerinde aylar boyunca uyutulmuyoruz ya da sihirli bir ilacımız yok. 1  g’ye  mahkumuz.

Normal 1  g  hızlanma ile ışık hızının yüzde 77’sine (0,77c) yaklaşık bir yıl içinde ulaşırız. İki yıl boyunca hızlanma ile 0,97 c hıza ulaşılabilir. (Ne kadar uzun süre hızlanırsak hızlanalım; ışık hızına asla ulaşamayız. Sadece altında kalan yüzdelere erişebiliriz. Örneğin yeterli yakıtımız varsa 12 yılda hızımız 0,99999999996 c olacaktır.)

Örneğin 0,5 c seyir hızımızı seçtik. Gemimizi ışık hızının yarısına ulaştırmamız gerekiyor. Saniyede yaklaşık 150 bin kilometre (saniyede 150.000.000 metre) sürate insan limitleri dahilinde 1  g  (10 m/s²) ile ulaşmamız yaklaşık 173 gün sürer. Bu süre zarfında gemide hızlanma yönü aksinde 1  g  ile Dünya benzeri yer çekimi hissi yaşarız. 173 gün boyunca motorlarımızı ateşleyip hızlandıktan sonra yaklaşık 6,5 yıl boyunca 0,5 c sürat ile seyir edeceğiz. 6,5 yıl sonunda gemimizi ters döndürüp tekrardan motorlarımızı ateşleyerek yine 173 gün sürecek bir yavaşlama sürecine başlayacağız. İnsansız araçların tolerans limiti çok daha yüksek olduğundan bizim dayanamayacağımız onlu ve hatta yüzlü  g-kuvvetlerinde hızlanmalar ile çok daha kısa sürede motor ateşleme süreleri mümkün olabilir.

 Berkan Alptekin 

Hep daha fazla okumak gerekir...

Yorum

Yazar Hakkında

Berkan Alptekin