Fizik Öğretmeni

İşi bitmiş bir bisiklet tekerleği ile sınıfınızda öğrencilerin inanamayacağı bir gösteri yapabilirsiniz. Bunun için bisiklet tekerleğine bir mil geçirip, tekerleğin serbestçe dönmesini sağlayınız. Milin her iki taraftaki uzunluğu ellerinizle kavrayabileceğiniz uzunlukta olmalıdır.

Şimdi siz tekerleği iki elinizle tutup, bir öğrenciden tekerleği döndürmesini isteyiniz. Tekerlek yeterince hıza ulaştıktan sonra her iki taraftan sadece parmaklarınızla destekleyiniz. Tekerlek iki parmağınızın üstünde serbestçe dönerken öğrencilere şu soruyu sorunuz: Parmaklarımdan birini çekersem tekerlek düşer mi? Öğrencilerin verecekleri cevabı yazmaya ihtiyaç duymuyorum. İşte bu anda parmaklarınızdan birini çekiniz. Ne görüyorsunuz? Tekerlek düştü mü? Hayır. Tekerlek düşmez, hem kendi etrafında hareketini sürdürür hem de desteğin oldu nokta etrafında dönmeye başlar. Bütün öğrencilerin şaşkınlıktan dona kaldığını göreceksiniz.
Daha sonra tekerleği sadece bir tarafından yandaki şekilde görüldüğü gibi bir iple bir yere asınız. Benzer şekilde tekerleğin hem kendi hem de düşey ip etrafında döndüğünü göreceksiniz.
Bu gösteriyi yapmak ne kadar kolaysa sebebini açılamak o kadar zordur. Evet bir cisim en az iki destek üzerinde denge durabilir. Fakat burada tekerleği tek destek üzerinde durdurdunuz. Öğrencilerden gelebilecek sorular:
• Tekerlek neden düşmüyor?
• Neden düşey eksen etrafında da dönmeye başladı?
• Düşey eksen etrafında dönerken sahip olduğu dönme kinetik enerjisini nerden aldı?
Haydi çıkın şimdi işin içinden.
İşe önce dönen tekerleğin sahip olduğu fiziksel durumdan başlayalım. Tekerleyin kütlesinin hemen tamamı kenarda olduğundan, dönünce çok büyük bir açısal momentuma sahip olur. Bir sistemin açısal momentumunun korunduğunu hepimiz biliyoruz. Tek destek ile dengelediğimiz tekerlek düşerse, bu, açısal momentumun korunmayacağı anlamına geleceğinden tekerlek dengede kalıyor derseniz olaya yeterince açıklık getiremezsiniz. Yer çekimi kuvvetine ne oldu? Yoksa yerçekimi kuvveti dönen cisimlere etki etmiyor mu?
Daha önce tekerleğin düşey eksen etrafında dönmesinden bahsetmiştik. İşte yerçekiminin tekerleğin asılı olduğu noktaya göre bir momenti olduğundan, tekerleği bu nokta etrafında dönderiyor. Yer çekiminin oluşturduğu moment hem tekerleğin dönme eksenine hem de düşey eksen diktir.Bu açıklamaya daha fazla açıklama ilave edebilirsiniz: Dünya etrafında dolanan bir uyduya yerçekimi etki ediyor mu? Evet, peki neden yerçekimi kuvveti uyduyu dünyaya düşürmüyor? Çünkü yerçekimi uyduya dönme hareketi yaptırıyor. İşte burada da yer çekimi, tekerleğin düşey eksen etrafında dönmesinde kullanılıyor.
Gelelim şimdi dönme kinetik enerjisinin nereden geldiğine… Dönen tekerleği tek destek ile dengelediğinizde açısal hızında bir şey kaybetmediği halde ikinci bir dönme hareketi yapıyor. İşte bu enerji nereden geliyor?
Cevap: Desteklerden birini kaldırdığınız anda tekerleğin kütle merkezi hafif aşağı düşer. Burada kaybedilen potansiyel enerji dönme kinetik enerjisine dönüşüyor. Bunu kendiniz de gözlemleyebilirsiniz. Tekerlek sürtünmelerden dolayı yavaşladıkça aşağı düşmesi artacağından kaybedeceği potansiyel enerji de artacaktır. Bu sırada tekerleğin düşey eksen etrafındaki hızının arttığını gözlemleyebilirsiniz.
Güvenlik: Dönen tekerleğin hızı ve enerjisi çok fazla olduğunda durdurmadan yere bırakmayınız. Tekerleği ilk defa tek parmağınızla dengelemeye çalışırken dikkatli olunuz. Çünkü tekerlek aynı zamanda düşey eksen etrafından döneceğinden parmaklarınızın üstünden düşebilir. Aşağıdaki video da olayı daha net görebilirsiniz.

Fizik öğretmeni