Bir cismin bir noktaya göre torku hesaplanırken, kuvvetin büyüklüğü ve dönme noktasına olan dik uzaklığı kullanılır.
👉 Bir kapının menteşelerine olan uzaklığı \( 80 \text{ cm} \) olan noktasına, kapı yüzeyine dik olacak şekilde \( 20 \text{ N} \) büyüklüğünde bir kuvvet uygulanmaktadır.
Bu kuvvetin menteşelere göre oluşturduğu torkun büyüklüğü kaç \( \text{N} \cdot \text{m} \)'dir? 🚪
Çözüm ve Açıklama
Torkun büyüklüğünü bulmak için kuvvetin büyüklüğü ile dönme noktasına olan dik uzaklığı çarparız.
📌 Öncelikle verilen uzaklığı metreye çevirelim: \( d = 80 \text{ cm} = 0.8 \text{ m} \).
📌 Uygulanan kuvvet \( F = 20 \text{ N} \).
📌 Kuvvet kapı yüzeyine dik uygulandığı için, dik uzaklık doğrudan \( d \) olacaktır.
✅ Torkun büyüklüğü \( \tau = F \cdot d \) formülüyle bulunur.
Bu kuvvetin menteşelere göre oluşturduğu torkun büyüklüğü \( 16 \text{ N} \cdot \text{m} \)'dir.
2
Çözümlü Örnek
Orta Seviye
Kütlesi önemsiz, türdeş bir çubuk, şekildeki gibi \( O \) noktası etrafında dönebilmektedir. Çubuğa \( F_1 = 10 \text{ N} \) ve \( F_2 = 5 \text{ N} \) büyüklüğünde iki kuvvet uygulanmaktadır.
\( O \) noktasına olan uzaklıklar: \( F_1 \) kuvveti \( O \) noktasından \( 2 \text{ m} \) uzakta ve çubuğa diktir. \( F_2 \) kuvveti ise \( O \) noktasından \( 4 \text{ m} \) uzakta ve çubuğa diktir.
Bu durumda çubuğa etki eden net torkun büyüklüğü ve yönü nedir? 🔄
Çözüm ve Açıklama
Net torku bulmak için her bir kuvvetin \( O \) noktasına göre oluşturduğu torkları ayrı ayrı hesaplayıp yönlerine göre toplayacağız. Saat yönündeki torkları pozitif, saat yönünün tersi torkları negatif kabul edelim.
💡 \( F_1 \) kuvvetinin torku:
Kuvvet: \( F_1 = 10 \text{ N} \)
Dik uzaklık: \( d_1 = 2 \text{ m} \)
Yönü: Çubuğu saat yönünün tersine döndürme eğilimindedir.
✅ Çubuğa etki eden net torkun büyüklüğü \( 0 \text{ N} \cdot \text{m} \)'dir. Bu durum, çubuğun dönme dengesinde olduğunu gösterir.
3
Çözümlü Örnek
Orta Seviye
Ağırlığı önemsiz, \( 6 \text{ m} \) uzunluğundaki türdeş bir çubuk, uçlarından \( X \) ve \( Y \) destekleri üzerine konulmuştur. Çubuğun tam orta noktasına \( 30 \text{ N} \) ağırlığında bir yük asılmıştır.
Destekler çubuğun uçlarında yer aldığına göre, \( X \) ve \( Y \) desteklerinin çubuğa uyguladığı tepki kuvvetlerinin büyüklükleri kaçar Newton'dur? ⚖️
Çözüm ve Açıklama
Çubuk dengede olduğuna göre, hem öteleme dengesi (\( \sum F = 0 \)) hem de dönme dengesi (\( \sum \tau = 0 \)) şartlarını sağlamalıdır.
💡 Kuvvetlerin gösterimi:
Aşağı yönlü kuvvet: Yükün ağırlığı \( G = 30 \text{ N} \). Bu kuvvet çubuğun orta noktasında, yani her iki destekten \( 3 \text{ m} \) uzakta etki eder.
Yukarı yönlü kuvvetler: \( X \) desteğinin tepki kuvveti \( N_X \) ve \( Y \) desteğinin tepki kuvveti \( N_Y \).
📌 Öteleme dengesi (\( \sum F_y = 0 \)):
Yukarı yönlü kuvvetler = Aşağı yönlü kuvvetler
\( N_X + N_Y = G \)
\( N_X + N_Y = 30 \text{ N} \) (Denklem 1)
📌 Dönme dengesi (\( \sum \tau = 0 \)):
Dönme noktası olarak herhangi bir destek noktasını seçebiliriz. \( X \) noktasını seçelim.
\( X \) noktasına göre tork oluşturan kuvvetler: \( G \) (saat yönünde) ve \( N_Y \) (saat yönünün tersine).
✅ Buna göre, \( X \) desteğinin tepki kuvveti \( 15 \text{ N} \) ve \( Y \) desteğinin tepki kuvveti \( 15 \text{ N} \)'dir.
4
Çözümlü Örnek
Zor Seviye
Ağırlığı \( 20 \text{ N} \) olan türdeş bir çubuk, bir ucundan duvara menteşe ile sabitlenmiştir. Çubuğun diğer ucuna \( 40 \text{ N} \) ağırlığında bir yük asılmıştır. Çubuk, yatay ile \( 30^\circ \) açı yapacak şekilde bir iple tavana bağlanarak dengede tutulmaktadır. İp çubuğun serbest ucuna bağlıdır.
Buna göre, ipin gerilme kuvvetinin büyüklüğü kaç Newton'dur? (Sinüs ve kosinüs değerleri için: \( \sin 30^\circ = 0.5 \), \( \cos 30^\circ = 0.87 \)) 🔗
Çözüm ve Açıklama
Bu sistemde menteşeyi dönme noktası olarak alarak tork denge şartını uygulayabiliriz. Menteşe kuvveti tork oluşturmayacaktır.
💡 Kuvvetlerin ve uzaklıkların belirlenmesi:
Çubuğun ağırlığı \( G_{\text{çubuk}} = 20 \text{ N} \). Türdeş olduğu için ağırlık merkezi çubuğun orta noktasındadır. Eğer çubuğun uzunluğu \( L \) ise, menteşeden uzaklığı \( L/2 \)'dir.
Yükün ağırlığı \( G_{\text{yük}} = 40 \text{ N} \). Çubuğun serbest ucuna asıldığı için menteşeden uzaklığı \( L \)'dir.
İp gerilmesi \( T \). İp çubuğun serbest ucuna bağlıdır, bu yüzden menteşeden uzaklığı \( L \)'dir.
Çubuğun ağırlığı ve yükün ağırlığı saat yönünde tork oluşturur. İp gerilmesi ise saat yönünün tersine tork oluşturur.
Tork hesaplarken kuvvetin dönme noktasına olan dik uzaklığını kullanmalıyız. Çubuk yatay ile \( 30^\circ \) açı yaptığı için, düşey kuvvetlerin dik uzaklığı menteşeden olan yatay uzaklıklarıdır. İp gerilmesinin dik uzaklığı ise biraz daha karmaşıktır.
Ancak daha kolay bir yöntem, kuvvetlerin bileşenlerini almak veya kuvvetin kendisinin dönme noktasına olan dik uzaklığını bulmaktır.
Burada, dönme noktasına göre tork \( \tau = F \cdot d_{\text{dik}} \) veya \( \tau = F \cdot r \cdot \sin\theta \) formülüyle hesaplanır. \( \theta \) kuvvet ile konum vektörü arasındaki açıdır.
Bu kuvvet düşey aşağı yönlüdür. Çubuk yatay ile \( 30^\circ \) açı yaptığı için, kuvvetin çubuğa dik bileşeni \( G_{\text{çubuk}} \cdot \cos 30^\circ \) değildir. Dik uzaklık, çubuğun uzunluğunun sinüs bileşeni ile verilir. Veya daha basitçe, kuvvetin kendisinin dönme noktasına olan dik uzaklığı \( (L/2) \cdot \cos 30^\circ \) olarak alınabilir.
Ancak, daha pratik yaklaşım, kuvveti ve çubuğu bir vektör olarak düşünerek \( \tau = F \cdot r \cdot \sin\theta \) kullanmaktır. Burada \( \theta \) kuvvetin yönü ile çubuk arasındaki açıdır. Düşey kuvvetler için, çubukla yaptıkları açı \( 90^\circ + 30^\circ = 120^\circ \) veya \( 90^\circ - 30^\circ = 60^\circ \) olarak düşünülebilir. Ya da doğrudan kuvvetin dik bileşeni veya dik uzaklığı alınır.
Burada, çubuk yatay ile \( 30^\circ \) açı yaptığına göre, düşey kuvvetler için dönme noktasına olan dik uzaklık, çubuğun yataydaki izdüşümüdür.
Dik uzaklık \( d_{\text{çubuk}} = (L/2) \cdot \cos 30^\circ \).
\( \tau_{\text{çubuk}} = G_{\text{çubuk}} \cdot (L/2) \cdot \cos 30^\circ = 20 \cdot (L/2) \cdot 0.87 = 8.7 L \) (Saat yönü).
Yük ağırlığının torku (\( \tau_{\text{yük}} \)):
Kuvvet \( G_{\text{yük}} = 40 \text{ N} \). Menteşeden uzaklık \( L \).
Dik uzaklık \( d_{\text{yük}} = L \cdot \cos 30^\circ \).
\( \tau_{\text{yük}} = G_{\text{yük}} \cdot L \cdot \cos 30^\circ = 40 \cdot L \cdot 0.87 = 34.8 L \) (Saat yönü).
İp gerilmesinin torku (\( \tau_{\text{ip}} \)):
İp gerilmesi \( T \). Menteşeden uzaklık \( L \).
İp, çubukla dik açı yapmadığı için, ipin çubuğa dik bileşenini almalıyız. İp yatay ile \( 30^\circ \) açı yapıyor. Çubuk da yatay ile \( 30^\circ \) açı yapıyor. Bu durumda ip çubuğa paraleldir. Hayır, bu yanlış bir yorum. İp tavana bağlıdır ve çubuk yatay ile 30 derece yapıyor. İpin çubukla yaptığı açı \( \alpha \). İp tavana bağlı olduğu için, ip ile yatay arasındaki açı \( 30^\circ \) olarak verilmiş. Bu, ipin yatay ile \( 30^\circ \) yaptığı anlamına gelir. Çubuk da yatay ile \( 30^\circ \) açı yaptığına göre, ip ve çubuk birbirine paraleldir. Bu durumda ipin çubuğa dik bileşeni sıfır olur ve tork oluşturmaz. Bu durumda çubuk dengede kalamaz.
Sorunun "İp çubuğun serbest ucuna bağlıdır ve yatay ile \( 30^\circ \) açı yapacak şekilde tavana bağlanarak dengede tutulmaktadır" ifadesi, ipin çubukla yaptığı açıyı dolaylı olarak veriyor. Eğer çubuk yatay ile \( 30^\circ \) açı yapıyorsa ve ip de yatay ile \( 30^\circ \) açı yapıyorsa, ip ve çubuk paraleldir. Bu durum tork için uygun değildir.
Düzeltme: Genellikle bu tür sorularda ipin çubukla yaptığı açı verilir veya ipin yatayla yaptığı açı farklı olur. Eğer ip yatay ile \( 30^\circ \) açı yapıyorsa ve çubuk da yatay ile \( 30^\circ \) açı yapıyorsa, ip çubuğa paraleldir. Bu durumda ipin torku sıfır olurdu. Bu, sorunun mantığına aykırı.
Büyük ihtimalle kastedilen, ipin çubuğa dik olması veya ipin düşey ile belirli bir açı yapmasıdır. Ya da ipin yatayla yaptığı açı çubuğun yatayla yaptığı açıdan farklıdır.
Varsayalım ki ipin çubukla yaptığı açı \( 90^\circ \) olsun (yani ip çubuğa dik olsun), bu en yaygın durumdur. Ya da ipin yatay ile yaptığı açı \( \theta_{\text{ip}} \) ve çubuğun yatay ile yaptığı açı \( \theta_{\text{çubuk}} \) ise, ipin çubukla yaptığı açı \( |\theta_{\text{ip}} - \theta_{\text{çubuk}}| \) veya \( 180^\circ - |\theta_{\text{ip}} - \theta_{\text{çubuk}}| \) olur.
Soruda "çubuk, yatay ile \( 30^\circ \) açı yapacak şekilde bir iple tavana bağlanarak dengede tutulmaktadır. İp çubuğun serbest ucuna bağlıdır." deniyor. Bu, ipin de çubukla aynı açıyı yapması gerektiği anlamına gelmiyor.
En standart yorum, ipin yatay ile \( 30^\circ \) açı yapması ve çubuğun da yatay ile \( 30^\circ \) açı yapmasıdır. Bu durumda ip ve çubuk paraleldir. Bu durumda ipin torku sıfırdır.
Tekrar düzeltme ve standart yorum: Bu tür sorularda ipin çubukla yaptığı açı \( \alpha \) verilir. Eğer verilmemişse ve ip tavana bağlıysa, ipin düşeyle veya yatayla yaptığı açı verilir.
Burada "çubuk, yatay ile \( 30^\circ \) açı yapacak şekilde bir iple tavana bağlanarak dengede tutulmaktadır" cümlesinden, ipin çubuğa dik olduğu veya ipin çubukla farklı bir açı yaptığı çıkarımı yapılmalıdır.
En yaygın senaryo, ipin düşey ile \( 30^\circ \) açı yapması veya çubuğa dik olmasıdır.
Eğer ip çubuğa dik ise: \( \tau_{\text{ip}} = T \cdot L \) (Saat yönünün tersi).
Eğer ip yatay ile \( 30^\circ \) açı yapıyorsa ve çubuk da yatay ile \( 30^\circ \) açı yapıyorsa, o zaman ipin çubukla yaptığı açı \( 0^\circ \) veya \( 180^\circ \) olur ve torku sıfır olur. Bu durumda çubuk dengede kalamaz.
Varsayım: Soruda bir anlatım eksikliği var. Genellikle bu tür sorularda ipin çubuğa dik olduğu varsayılır veya ipin düşeyle yaptığı açı verilir.
Yeni Yorum: "Çubuk, yatay ile \( 30^\circ \) açı yapacak şekilde bir iple tavana bağlanarak dengede tutulmaktadır." Bu ifade, ipin kendisinin yatayla \( 30^\circ \) açı yaptığını değil, çubuğun yatayla \( 30^\circ \) açı yaptığını belirtir. İpin açısı verilmemiştir.
Bu durumda ip gerilmesini \( T \) olarak alıp, tork formülünü \( \tau = T \cdot L \cdot \sin\alpha \) şeklinde kullanmalıyız, burada \( \alpha \) ip ile çubuk arasındaki açıdır.
Bu soruda \( \alpha \) verilmediği için, bu seviyedeki bir öğrenci için bu soruyu çözmek zordur.
En basit varsayım: İp çubuğa dik gerilmiştir. Bu, birçok ders kitabında karşılaşılan bir basitleştirmedir. Bu varsayımla devam edelim.
Eğer ip çubuğa dikse (\( \sin 90^\circ = 1 \)):
\( \tau_{\text{ip}} = T \cdot L \) (Saat yönünün tersi).
✅ İpin gerilme kuvvetinin büyüklüğü \( 43.5 \text{ N} \)'dir.
(Not: Bu çözüm, ipin çubuğa dik olduğu varsayımına dayanmaktadır. Sorudaki ifade belirsizliği nedeniyle bu varsayım yapılmıştır. Normalde bu açı net olarak verilmelidir.)
5
Çözümlü Örnek
Yeni Nesil Soru
Bir lunaparktaki tahterevalli, orta noktasından bir destek üzerinde dengede durmaktadır. Tahterevallinin kendi ağırlığı önemsizdir. Ahmet \( 40 \text{ kg} \) kütlesiyle desteğin \( 2.5 \text{ m} \) sağına, Burak ise \( 50 \text{ kg} \) kütlesiyle desteğin \( 2 \text{ m} \) soluna oturmuştur.
Bu durumda tahterevalli dengede midir? Eğer dengede değilse, dengeyi sağlamak için Ahmet veya Burak'tan hangisi, hangi yöne doğru ne kadar hareket etmelidir? (\( g = 10 \text{ m/s}^2 \) alınız) 🎡
Çözüm ve Açıklama
Tahterevallinin dengede olup olmadığını anlamak için her iki tarafın desteğe göre torkunu hesaplamalıyız.
Her iki yöndeki torklar birbirine eşit olduğu için tahterevalli dengededir.
✅ Tahterevalli zaten dengede olduğu için kimsenin hareket etmesine gerek yoktur. Her iki çocuk da bulundukları konumda dengeyi sağlamaktadır. 🎉
6
Çözümlü Örnek
Yeni Nesil Soru
Bir inşaat mühendisi, bir binanın dış cephesine monte edilecek olan \( 1.5 \text{ m} \) uzunluğundaki yatay bir metal kirişin denge analizini yapmaktadır. Kirişin bir ucu duvara sabitlenmiş (menteşelenmiş) ve diğer ucundan \( 100 \text{ kg} \) kütleli bir yük asılmıştır. Kirişin kendi ağırlığı \( 50 \text{ kg} \) olup, türdeş olduğu için ağırlık merkezi tam ortasındadır.
Mühendis, kirişin serbest ucunu yerden \( 60^\circ \) açı yapacak şekilde yukarı doğru çeken bir kablo ile sabitlemeyi planlamaktadır. Bu durumda, kablonun minimum gerilme kuvveti kaç Newton olmalıdır? (\( g = 10 \text{ m/s}^2 \) alınız. \( \sin 60^\circ = 0.87 \), \( \cos 60^\circ = 0.5 \)) 🏗️
Yükün ve kirişin ağırlığı menteşeyi saat yönünde döndürme eğilimindedir. Kablonun gerilme kuvveti ise saat yönünün tersine tork oluşturur.
Kablonun gerilme kuvveti \( T \) olsun. Kablo yerden \( 60^\circ \) açı yapıyorsa, yatay kirişle yaptığı açı \( 60^\circ \) olur (çünkü kiriş yataydır).
\( \tau_{\text{kablo}} = T \cdot 0.87 \cdot 1.5 = 1.305 \cdot T \).
📌 Denge denklemini kurma:
Saat yönü torklar = Saat yönünün tersi torklar
\( 1875 = 1.305 \cdot T \)
\( T = \frac{1875}{1.305} \approx 1436.78 \text{ N} \).
✅ Kablonun minimum gerilme kuvveti yaklaşık \( 1436.78 \text{ N} \) olmalıdır.
7
Çözümlü Örnek
Günlük Hayattan Örnek
Bir marangoz, uzun bir tahta parçasını tek başına taşımak istemektedir. Tahta parçası \( 4 \text{ m} \) uzunluğunda ve ağırlığı \( 80 \text{ N} \) olan türdeş bir malzemedir. Marangoz tahtayı bir ucundan kaldırmaktadır. Diğer ucunu ise bir arkadaşının kaldırması gerekmektedir.
Eğer marangoz tahtayı bir ucundan kaldırırsa, arkadaşının tahtanın diğer ucundan kaldırması gereken kuvvet kaç Newton olur? Ayrıca, marangoz tahtayı ucundan değil de, kendi tarafındaki uçtan \( 1 \text{ m} \) içeri girerek kaldırırsa, arkadaşının uygulaması gereken kuvvet nasıl değişir? 🪵
Çözüm ve Açıklama
Bu problemi, tahtanın denge durumunu inceleyerek çözebiliriz. Tahta türdeş olduğu için ağırlık merkezi tam ortasındadır.
💡 Senaryo 1: Marangoz bir ucundan kaldırıyor.
Tahtanın uzunluğu \( L = 4 \text{ m} \).
Tahtanın ağırlığı \( G = 80 \text{ N} \). Ağırlık merkezi, her iki uçtan \( 2 \text{ m} \) uzaktadır.
Marangozun uyguladığı kuvvet \( F_M \), arkadaşının uyguladığı kuvvet \( F_A \) olsun.
Dönme noktası olarak marangozun kaldırdığı ucu seçelim. Bu durumda \( F_M \) tork oluşturmaz.
Marangoz tahtayı bir ucundan kaldırdığında, arkadaşının kaldırması gereken kuvvet \( 40 \text{ N} \)'dur.
Marangoz kendi ucundan \( 1 \text{ m} \) içeri girerek kaldırdığında, arkadaşının kaldırması gereken kuvvet yaklaşık \( 26.67 \text{ N} \)'a düşer.
📌 Bu durum, kuvvet kolunun uzatılmasının torku ve dolayısıyla dengeyi nasıl etkilediğini gösterir. Marangoz ağırlık merkezine daha yakın bir noktadan kaldırarak, arkadaşının üzerindeki yükü azaltmıştır. 💪
8
Çözümlü Örnek
Günlük Hayattan Örnek
Bir tamirci, sıkışmış bir somunu gevşetmek için bir anahtar kullanmaktadır. Anahtarın uzunluğu \( 30 \text{ cm} \)'dir. Tamirci, anahtarın ucuna \( 50 \text{ N} \) büyüklüğünde bir kuvvet uygulamaktadır.
👉 Eğer tamirci kuvveti anahtar koluna dik olarak uyguluyorsa, somuna uygulanan torkun büyüklüğü kaç \( \text{N} \cdot \text{m} \)'dir?
👉 Tamirci, anahtarı yanlışlıkla \( 60^\circ \) açıyla (anahtar kolu ile kuvvet vektörü arasındaki açı) uygularsa, torkun büyüklüğü nasıl değişir? (\( \sin 60^\circ = 0.87 \)) 🔧
Çözüm ve Açıklama
Tork, kuvvetin dönme noktasına olan dik uzaklığına bağlıdır.
💡 Durum 1: Kuvvet anahtar koluna dik uygulanıyor.
Kuvvetin büyüklüğü \( F = 50 \text{ N} \).
Anahtarın uzunluğu \( d = 30 \text{ cm} = 0.3 \text{ m} \).
Kuvvet anahtar koluna dik uygulandığı için, dik uzaklık doğrudan anahtarın uzunluğudur.
📌 Bu örnek, torkun en büyük değerini alması için kuvvetin dönme noktasına olan uzantıya dik olarak uygulanması gerektiğini gösterir. Açı azaldıkça tork da azalır, bu da somunu gevşetmeyi zorlaştırır. 🛠️
9
Çözümlü Örnek
Orta Seviye
Ağırlığı önemsiz, \( 10 \text{ m} \) uzunluğundaki bir kalas, \( X \) ve \( Y \) noktalarından desteklenerek dengede tutulmaktadır. \( X \) desteği kalasın sol ucunda, \( Y \) desteği ise sol uçtan \( 8 \text{ m} \) uzaklıkta bulunmaktadır. Kalasın sol ucundan \( 4 \text{ m} \) uzaklığa \( 60 \text{ N} \) ağırlığında bir yük asılmıştır.
Buna göre, \( X \) ve \( Y \) desteklerinin kalasa uyguladığı tepki kuvvetlerinin büyüklükleri kaçar Newton'dur? 📏
Çözüm ve Açıklama
Kalas dengede olduğu için hem öteleme hem de dönme denge şartlarını sağlamalıdır.
💡 Kuvvetlerin ve konumların belirlenmesi:
Aşağı yönlü kuvvet: Yükün ağırlığı \( G = 60 \text{ N} \). Konumu: \( X \) desteğinden \( 4 \text{ m} \) uzakta.
Yukarı yönlü kuvvetler: \( X \) desteğinin tepki kuvveti \( N_X \) ve \( Y \) desteğinin tepki kuvveti \( N_Y \).
\( Y \) desteğinin konumu: \( X \) desteğinden \( 8 \text{ m} \) uzakta.
📌 Öteleme dengesi (\( \sum F_y = 0 \)):
\( N_X + N_Y = G \)
\( N_X + N_Y = 60 \text{ N} \) (Denklem 1)
📌 Dönme dengesi (\( \sum \tau = 0 \)):
Dönme noktası olarak \( X \) noktasını seçelim (bu, \( N_X \) kuvvetinin tork oluşturmamasını sağlar).
\( X \) noktasına göre tork oluşturan kuvvetler: \( G \) (saat yönünde) ve \( N_Y \) (saat yönünün tersine).
✅ Buna göre, \( X \) desteğinin tepki kuvveti \( 30 \text{ N} \) ve \( Y \) desteğinin tepki kuvveti \( 30 \text{ N} \)'dir.
11. Sınıf Fizik: Tork Denge Çözümlü Örnekler
Örnek 1:
Bir cismin bir noktaya göre torku hesaplanırken, kuvvetin büyüklüğü ve dönme noktasına olan dik uzaklığı kullanılır.
👉 Bir kapının menteşelerine olan uzaklığı \( 80 \text{ cm} \) olan noktasına, kapı yüzeyine dik olacak şekilde \( 20 \text{ N} \) büyüklüğünde bir kuvvet uygulanmaktadır.
Bu kuvvetin menteşelere göre oluşturduğu torkun büyüklüğü kaç \( \text{N} \cdot \text{m} \)'dir? 🚪
Çözüm:
Torkun büyüklüğünü bulmak için kuvvetin büyüklüğü ile dönme noktasına olan dik uzaklığı çarparız.
📌 Öncelikle verilen uzaklığı metreye çevirelim: \( d = 80 \text{ cm} = 0.8 \text{ m} \).
📌 Uygulanan kuvvet \( F = 20 \text{ N} \).
📌 Kuvvet kapı yüzeyine dik uygulandığı için, dik uzaklık doğrudan \( d \) olacaktır.
✅ Torkun büyüklüğü \( \tau = F \cdot d \) formülüyle bulunur.
Bu kuvvetin menteşelere göre oluşturduğu torkun büyüklüğü \( 16 \text{ N} \cdot \text{m} \)'dir.
Örnek 2:
Kütlesi önemsiz, türdeş bir çubuk, şekildeki gibi \( O \) noktası etrafında dönebilmektedir. Çubuğa \( F_1 = 10 \text{ N} \) ve \( F_2 = 5 \text{ N} \) büyüklüğünde iki kuvvet uygulanmaktadır.
\( O \) noktasına olan uzaklıklar: \( F_1 \) kuvveti \( O \) noktasından \( 2 \text{ m} \) uzakta ve çubuğa diktir. \( F_2 \) kuvveti ise \( O \) noktasından \( 4 \text{ m} \) uzakta ve çubuğa diktir.
Bu durumda çubuğa etki eden net torkun büyüklüğü ve yönü nedir? 🔄
Çözüm:
Net torku bulmak için her bir kuvvetin \( O \) noktasına göre oluşturduğu torkları ayrı ayrı hesaplayıp yönlerine göre toplayacağız. Saat yönündeki torkları pozitif, saat yönünün tersi torkları negatif kabul edelim.
💡 \( F_1 \) kuvvetinin torku:
Kuvvet: \( F_1 = 10 \text{ N} \)
Dik uzaklık: \( d_1 = 2 \text{ m} \)
Yönü: Çubuğu saat yönünün tersine döndürme eğilimindedir.
✅ Çubuğa etki eden net torkun büyüklüğü \( 0 \text{ N} \cdot \text{m} \)'dir. Bu durum, çubuğun dönme dengesinde olduğunu gösterir.
Örnek 3:
Ağırlığı önemsiz, \( 6 \text{ m} \) uzunluğundaki türdeş bir çubuk, uçlarından \( X \) ve \( Y \) destekleri üzerine konulmuştur. Çubuğun tam orta noktasına \( 30 \text{ N} \) ağırlığında bir yük asılmıştır.
Destekler çubuğun uçlarında yer aldığına göre, \( X \) ve \( Y \) desteklerinin çubuğa uyguladığı tepki kuvvetlerinin büyüklükleri kaçar Newton'dur? ⚖️
Çözüm:
Çubuk dengede olduğuna göre, hem öteleme dengesi (\( \sum F = 0 \)) hem de dönme dengesi (\( \sum \tau = 0 \)) şartlarını sağlamalıdır.
💡 Kuvvetlerin gösterimi:
Aşağı yönlü kuvvet: Yükün ağırlığı \( G = 30 \text{ N} \). Bu kuvvet çubuğun orta noktasında, yani her iki destekten \( 3 \text{ m} \) uzakta etki eder.
Yukarı yönlü kuvvetler: \( X \) desteğinin tepki kuvveti \( N_X \) ve \( Y \) desteğinin tepki kuvveti \( N_Y \).
📌 Öteleme dengesi (\( \sum F_y = 0 \)):
Yukarı yönlü kuvvetler = Aşağı yönlü kuvvetler
\( N_X + N_Y = G \)
\( N_X + N_Y = 30 \text{ N} \) (Denklem 1)
📌 Dönme dengesi (\( \sum \tau = 0 \)):
Dönme noktası olarak herhangi bir destek noktasını seçebiliriz. \( X \) noktasını seçelim.
\( X \) noktasına göre tork oluşturan kuvvetler: \( G \) (saat yönünde) ve \( N_Y \) (saat yönünün tersine).
✅ Buna göre, \( X \) desteğinin tepki kuvveti \( 15 \text{ N} \) ve \( Y \) desteğinin tepki kuvveti \( 15 \text{ N} \)'dir.
Örnek 4:
Ağırlığı \( 20 \text{ N} \) olan türdeş bir çubuk, bir ucundan duvara menteşe ile sabitlenmiştir. Çubuğun diğer ucuna \( 40 \text{ N} \) ağırlığında bir yük asılmıştır. Çubuk, yatay ile \( 30^\circ \) açı yapacak şekilde bir iple tavana bağlanarak dengede tutulmaktadır. İp çubuğun serbest ucuna bağlıdır.
Buna göre, ipin gerilme kuvvetinin büyüklüğü kaç Newton'dur? (Sinüs ve kosinüs değerleri için: \( \sin 30^\circ = 0.5 \), \( \cos 30^\circ = 0.87 \)) 🔗
Çözüm:
Bu sistemde menteşeyi dönme noktası olarak alarak tork denge şartını uygulayabiliriz. Menteşe kuvveti tork oluşturmayacaktır.
💡 Kuvvetlerin ve uzaklıkların belirlenmesi:
Çubuğun ağırlığı \( G_{\text{çubuk}} = 20 \text{ N} \). Türdeş olduğu için ağırlık merkezi çubuğun orta noktasındadır. Eğer çubuğun uzunluğu \( L \) ise, menteşeden uzaklığı \( L/2 \)'dir.
Yükün ağırlığı \( G_{\text{yük}} = 40 \text{ N} \). Çubuğun serbest ucuna asıldığı için menteşeden uzaklığı \( L \)'dir.
İp gerilmesi \( T \). İp çubuğun serbest ucuna bağlıdır, bu yüzden menteşeden uzaklığı \( L \)'dir.
Çubuğun ağırlığı ve yükün ağırlığı saat yönünde tork oluşturur. İp gerilmesi ise saat yönünün tersine tork oluşturur.
Tork hesaplarken kuvvetin dönme noktasına olan dik uzaklığını kullanmalıyız. Çubuk yatay ile \( 30^\circ \) açı yaptığı için, düşey kuvvetlerin dik uzaklığı menteşeden olan yatay uzaklıklarıdır. İp gerilmesinin dik uzaklığı ise biraz daha karmaşıktır.
Ancak daha kolay bir yöntem, kuvvetlerin bileşenlerini almak veya kuvvetin kendisinin dönme noktasına olan dik uzaklığını bulmaktır.
Burada, dönme noktasına göre tork \( \tau = F \cdot d_{\text{dik}} \) veya \( \tau = F \cdot r \cdot \sin\theta \) formülüyle hesaplanır. \( \theta \) kuvvet ile konum vektörü arasındaki açıdır.
Bu kuvvet düşey aşağı yönlüdür. Çubuk yatay ile \( 30^\circ \) açı yaptığı için, kuvvetin çubuğa dik bileşeni \( G_{\text{çubuk}} \cdot \cos 30^\circ \) değildir. Dik uzaklık, çubuğun uzunluğunun sinüs bileşeni ile verilir. Veya daha basitçe, kuvvetin kendisinin dönme noktasına olan dik uzaklığı \( (L/2) \cdot \cos 30^\circ \) olarak alınabilir.
Ancak, daha pratik yaklaşım, kuvveti ve çubuğu bir vektör olarak düşünerek \( \tau = F \cdot r \cdot \sin\theta \) kullanmaktır. Burada \( \theta \) kuvvetin yönü ile çubuk arasındaki açıdır. Düşey kuvvetler için, çubukla yaptıkları açı \( 90^\circ + 30^\circ = 120^\circ \) veya \( 90^\circ - 30^\circ = 60^\circ \) olarak düşünülebilir. Ya da doğrudan kuvvetin dik bileşeni veya dik uzaklığı alınır.
Burada, çubuk yatay ile \( 30^\circ \) açı yaptığına göre, düşey kuvvetler için dönme noktasına olan dik uzaklık, çubuğun yataydaki izdüşümüdür.
Dik uzaklık \( d_{\text{çubuk}} = (L/2) \cdot \cos 30^\circ \).
\( \tau_{\text{çubuk}} = G_{\text{çubuk}} \cdot (L/2) \cdot \cos 30^\circ = 20 \cdot (L/2) \cdot 0.87 = 8.7 L \) (Saat yönü).
Yük ağırlığının torku (\( \tau_{\text{yük}} \)):
Kuvvet \( G_{\text{yük}} = 40 \text{ N} \). Menteşeden uzaklık \( L \).
Dik uzaklık \( d_{\text{yük}} = L \cdot \cos 30^\circ \).
\( \tau_{\text{yük}} = G_{\text{yük}} \cdot L \cdot \cos 30^\circ = 40 \cdot L \cdot 0.87 = 34.8 L \) (Saat yönü).
İp gerilmesinin torku (\( \tau_{\text{ip}} \)):
İp gerilmesi \( T \). Menteşeden uzaklık \( L \).
İp, çubukla dik açı yapmadığı için, ipin çubuğa dik bileşenini almalıyız. İp yatay ile \( 30^\circ \) açı yapıyor. Çubuk da yatay ile \( 30^\circ \) açı yapıyor. Bu durumda ip çubuğa paraleldir. Hayır, bu yanlış bir yorum. İp tavana bağlıdır ve çubuk yatay ile 30 derece yapıyor. İpin çubukla yaptığı açı \( \alpha \). İp tavana bağlı olduğu için, ip ile yatay arasındaki açı \( 30^\circ \) olarak verilmiş. Bu, ipin yatay ile \( 30^\circ \) yaptığı anlamına gelir. Çubuk da yatay ile \( 30^\circ \) açı yaptığına göre, ip ve çubuk birbirine paraleldir. Bu durumda ipin çubuğa dik bileşeni sıfır olur ve tork oluşturmaz. Bu durumda çubuk dengede kalamaz.
Sorunun "İp çubuğun serbest ucuna bağlıdır ve yatay ile \( 30^\circ \) açı yapacak şekilde tavana bağlanarak dengede tutulmaktadır" ifadesi, ipin çubukla yaptığı açıyı dolaylı olarak veriyor. Eğer çubuk yatay ile \( 30^\circ \) açı yapıyorsa ve ip de yatay ile \( 30^\circ \) açı yapıyorsa, ip ve çubuk paraleldir. Bu durum tork için uygun değildir.
Düzeltme: Genellikle bu tür sorularda ipin çubukla yaptığı açı verilir veya ipin yatayla yaptığı açı farklı olur. Eğer ip yatay ile \( 30^\circ \) açı yapıyorsa ve çubuk da yatay ile \( 30^\circ \) açı yapıyorsa, ip çubuğa paraleldir. Bu durumda ipin torku sıfır olurdu. Bu, sorunun mantığına aykırı.
Büyük ihtimalle kastedilen, ipin çubuğa dik olması veya ipin düşey ile belirli bir açı yapmasıdır. Ya da ipin yatayla yaptığı açı çubuğun yatayla yaptığı açıdan farklıdır.
Varsayalım ki ipin çubukla yaptığı açı \( 90^\circ \) olsun (yani ip çubuğa dik olsun), bu en yaygın durumdur. Ya da ipin yatay ile yaptığı açı \( \theta_{\text{ip}} \) ve çubuğun yatay ile yaptığı açı \( \theta_{\text{çubuk}} \) ise, ipin çubukla yaptığı açı \( |\theta_{\text{ip}} - \theta_{\text{çubuk}}| \) veya \( 180^\circ - |\theta_{\text{ip}} - \theta_{\text{çubuk}}| \) olur.
Soruda "çubuk, yatay ile \( 30^\circ \) açı yapacak şekilde bir iple tavana bağlanarak dengede tutulmaktadır. İp çubuğun serbest ucuna bağlıdır." deniyor. Bu, ipin de çubukla aynı açıyı yapması gerektiği anlamına gelmiyor.
En standart yorum, ipin yatay ile \( 30^\circ \) açı yapması ve çubuğun da yatay ile \( 30^\circ \) açı yapmasıdır. Bu durumda ip ve çubuk paraleldir. Bu durumda ipin torku sıfırdır.
Tekrar düzeltme ve standart yorum: Bu tür sorularda ipin çubukla yaptığı açı \( \alpha \) verilir. Eğer verilmemişse ve ip tavana bağlıysa, ipin düşeyle veya yatayla yaptığı açı verilir.
Burada "çubuk, yatay ile \( 30^\circ \) açı yapacak şekilde bir iple tavana bağlanarak dengede tutulmaktadır" cümlesinden, ipin çubuğa dik olduğu veya ipin çubukla farklı bir açı yaptığı çıkarımı yapılmalıdır.
En yaygın senaryo, ipin düşey ile \( 30^\circ \) açı yapması veya çubuğa dik olmasıdır.
Eğer ip çubuğa dik ise: \( \tau_{\text{ip}} = T \cdot L \) (Saat yönünün tersi).
Eğer ip yatay ile \( 30^\circ \) açı yapıyorsa ve çubuk da yatay ile \( 30^\circ \) açı yapıyorsa, o zaman ipin çubukla yaptığı açı \( 0^\circ \) veya \( 180^\circ \) olur ve torku sıfır olur. Bu durumda çubuk dengede kalamaz.
Varsayım: Soruda bir anlatım eksikliği var. Genellikle bu tür sorularda ipin çubuğa dik olduğu varsayılır veya ipin düşeyle yaptığı açı verilir.
Yeni Yorum: "Çubuk, yatay ile \( 30^\circ \) açı yapacak şekilde bir iple tavana bağlanarak dengede tutulmaktadır." Bu ifade, ipin kendisinin yatayla \( 30^\circ \) açı yaptığını değil, çubuğun yatayla \( 30^\circ \) açı yaptığını belirtir. İpin açısı verilmemiştir.
Bu durumda ip gerilmesini \( T \) olarak alıp, tork formülünü \( \tau = T \cdot L \cdot \sin\alpha \) şeklinde kullanmalıyız, burada \( \alpha \) ip ile çubuk arasındaki açıdır.
Bu soruda \( \alpha \) verilmediği için, bu seviyedeki bir öğrenci için bu soruyu çözmek zordur.
En basit varsayım: İp çubuğa dik gerilmiştir. Bu, birçok ders kitabında karşılaşılan bir basitleştirmedir. Bu varsayımla devam edelim.
Eğer ip çubuğa dikse (\( \sin 90^\circ = 1 \)):
\( \tau_{\text{ip}} = T \cdot L \) (Saat yönünün tersi).
✅ İpin gerilme kuvvetinin büyüklüğü \( 43.5 \text{ N} \)'dir.
(Not: Bu çözüm, ipin çubuğa dik olduğu varsayımına dayanmaktadır. Sorudaki ifade belirsizliği nedeniyle bu varsayım yapılmıştır. Normalde bu açı net olarak verilmelidir.)
Örnek 5:
Bir lunaparktaki tahterevalli, orta noktasından bir destek üzerinde dengede durmaktadır. Tahterevallinin kendi ağırlığı önemsizdir. Ahmet \( 40 \text{ kg} \) kütlesiyle desteğin \( 2.5 \text{ m} \) sağına, Burak ise \( 50 \text{ kg} \) kütlesiyle desteğin \( 2 \text{ m} \) soluna oturmuştur.
Bu durumda tahterevalli dengede midir? Eğer dengede değilse, dengeyi sağlamak için Ahmet veya Burak'tan hangisi, hangi yöne doğru ne kadar hareket etmelidir? (\( g = 10 \text{ m/s}^2 \) alınız) 🎡
Çözüm:
Tahterevallinin dengede olup olmadığını anlamak için her iki tarafın desteğe göre torkunu hesaplamalıyız.
Her iki yöndeki torklar birbirine eşit olduğu için tahterevalli dengededir.
✅ Tahterevalli zaten dengede olduğu için kimsenin hareket etmesine gerek yoktur. Her iki çocuk da bulundukları konumda dengeyi sağlamaktadır. 🎉
Örnek 6:
Bir inşaat mühendisi, bir binanın dış cephesine monte edilecek olan \( 1.5 \text{ m} \) uzunluğundaki yatay bir metal kirişin denge analizini yapmaktadır. Kirişin bir ucu duvara sabitlenmiş (menteşelenmiş) ve diğer ucundan \( 100 \text{ kg} \) kütleli bir yük asılmıştır. Kirişin kendi ağırlığı \( 50 \text{ kg} \) olup, türdeş olduğu için ağırlık merkezi tam ortasındadır.
Mühendis, kirişin serbest ucunu yerden \( 60^\circ \) açı yapacak şekilde yukarı doğru çeken bir kablo ile sabitlemeyi planlamaktadır. Bu durumda, kablonun minimum gerilme kuvveti kaç Newton olmalıdır? (\( g = 10 \text{ m/s}^2 \) alınız. \( \sin 60^\circ = 0.87 \), \( \cos 60^\circ = 0.5 \)) 🏗️
Yükün ve kirişin ağırlığı menteşeyi saat yönünde döndürme eğilimindedir. Kablonun gerilme kuvveti ise saat yönünün tersine tork oluşturur.
Kablonun gerilme kuvveti \( T \) olsun. Kablo yerden \( 60^\circ \) açı yapıyorsa, yatay kirişle yaptığı açı \( 60^\circ \) olur (çünkü kiriş yataydır).
\( \tau_{\text{kablo}} = T \cdot 0.87 \cdot 1.5 = 1.305 \cdot T \).
📌 Denge denklemini kurma:
Saat yönü torklar = Saat yönünün tersi torklar
\( 1875 = 1.305 \cdot T \)
\( T = \frac{1875}{1.305} \approx 1436.78 \text{ N} \).
✅ Kablonun minimum gerilme kuvveti yaklaşık \( 1436.78 \text{ N} \) olmalıdır.
Örnek 7:
Bir marangoz, uzun bir tahta parçasını tek başına taşımak istemektedir. Tahta parçası \( 4 \text{ m} \) uzunluğunda ve ağırlığı \( 80 \text{ N} \) olan türdeş bir malzemedir. Marangoz tahtayı bir ucundan kaldırmaktadır. Diğer ucunu ise bir arkadaşının kaldırması gerekmektedir.
Eğer marangoz tahtayı bir ucundan kaldırırsa, arkadaşının tahtanın diğer ucundan kaldırması gereken kuvvet kaç Newton olur? Ayrıca, marangoz tahtayı ucundan değil de, kendi tarafındaki uçtan \( 1 \text{ m} \) içeri girerek kaldırırsa, arkadaşının uygulaması gereken kuvvet nasıl değişir? 🪵
Çözüm:
Bu problemi, tahtanın denge durumunu inceleyerek çözebiliriz. Tahta türdeş olduğu için ağırlık merkezi tam ortasındadır.
💡 Senaryo 1: Marangoz bir ucundan kaldırıyor.
Tahtanın uzunluğu \( L = 4 \text{ m} \).
Tahtanın ağırlığı \( G = 80 \text{ N} \). Ağırlık merkezi, her iki uçtan \( 2 \text{ m} \) uzaktadır.
Marangozun uyguladığı kuvvet \( F_M \), arkadaşının uyguladığı kuvvet \( F_A \) olsun.
Dönme noktası olarak marangozun kaldırdığı ucu seçelim. Bu durumda \( F_M \) tork oluşturmaz.
Marangoz tahtayı bir ucundan kaldırdığında, arkadaşının kaldırması gereken kuvvet \( 40 \text{ N} \)'dur.
Marangoz kendi ucundan \( 1 \text{ m} \) içeri girerek kaldırdığında, arkadaşının kaldırması gereken kuvvet yaklaşık \( 26.67 \text{ N} \)'a düşer.
📌 Bu durum, kuvvet kolunun uzatılmasının torku ve dolayısıyla dengeyi nasıl etkilediğini gösterir. Marangoz ağırlık merkezine daha yakın bir noktadan kaldırarak, arkadaşının üzerindeki yükü azaltmıştır. 💪
Örnek 8:
Bir tamirci, sıkışmış bir somunu gevşetmek için bir anahtar kullanmaktadır. Anahtarın uzunluğu \( 30 \text{ cm} \)'dir. Tamirci, anahtarın ucuna \( 50 \text{ N} \) büyüklüğünde bir kuvvet uygulamaktadır.
👉 Eğer tamirci kuvveti anahtar koluna dik olarak uyguluyorsa, somuna uygulanan torkun büyüklüğü kaç \( \text{N} \cdot \text{m} \)'dir?
👉 Tamirci, anahtarı yanlışlıkla \( 60^\circ \) açıyla (anahtar kolu ile kuvvet vektörü arasındaki açı) uygularsa, torkun büyüklüğü nasıl değişir? (\( \sin 60^\circ = 0.87 \)) 🔧
Çözüm:
Tork, kuvvetin dönme noktasına olan dik uzaklığına bağlıdır.
💡 Durum 1: Kuvvet anahtar koluna dik uygulanıyor.
Kuvvetin büyüklüğü \( F = 50 \text{ N} \).
Anahtarın uzunluğu \( d = 30 \text{ cm} = 0.3 \text{ m} \).
Kuvvet anahtar koluna dik uygulandığı için, dik uzaklık doğrudan anahtarın uzunluğudur.
📌 Bu örnek, torkun en büyük değerini alması için kuvvetin dönme noktasına olan uzantıya dik olarak uygulanması gerektiğini gösterir. Açı azaldıkça tork da azalır, bu da somunu gevşetmeyi zorlaştırır. 🛠️
Örnek 9:
Ağırlığı önemsiz, \( 10 \text{ m} \) uzunluğundaki bir kalas, \( X \) ve \( Y \) noktalarından desteklenerek dengede tutulmaktadır. \( X \) desteği kalasın sol ucunda, \( Y \) desteği ise sol uçtan \( 8 \text{ m} \) uzaklıkta bulunmaktadır. Kalasın sol ucundan \( 4 \text{ m} \) uzaklığa \( 60 \text{ N} \) ağırlığında bir yük asılmıştır.
Buna göre, \( X \) ve \( Y \) desteklerinin kalasa uyguladığı tepki kuvvetlerinin büyüklükleri kaçar Newton'dur? 📏
Çözüm:
Kalas dengede olduğu için hem öteleme hem de dönme denge şartlarını sağlamalıdır.
💡 Kuvvetlerin ve konumların belirlenmesi:
Aşağı yönlü kuvvet: Yükün ağırlığı \( G = 60 \text{ N} \). Konumu: \( X \) desteğinden \( 4 \text{ m} \) uzakta.
Yukarı yönlü kuvvetler: \( X \) desteğinin tepki kuvveti \( N_X \) ve \( Y \) desteğinin tepki kuvveti \( N_Y \).
\( Y \) desteğinin konumu: \( X \) desteğinden \( 8 \text{ m} \) uzakta.
📌 Öteleme dengesi (\( \sum F_y = 0 \)):
\( N_X + N_Y = G \)
\( N_X + N_Y = 60 \text{ N} \) (Denklem 1)
📌 Dönme dengesi (\( \sum \tau = 0 \)):
Dönme noktası olarak \( X \) noktasını seçelim (bu, \( N_X \) kuvvetinin tork oluşturmamasını sağlar).
\( X \) noktasına göre tork oluşturan kuvvetler: \( G \) (saat yönünde) ve \( N_Y \) (saat yönünün tersine).