AP Physics 1: Newton'un İkinci Yasası

Newton'un ikinci yasasında önce hangi cismi veya sistemi incelediğinizi seçin, ardından yalnız ona etkiyen dış kuvvetleri toplayın. Serbest cisim diyagramındaki oklar kuvvet yönünü gösterir; net kuvvet ayrı bir etkileşim değildir. Bu AP Physics 1 rehberi, eğik çekilen kutu, asansör ve temas eden iki araba örnekleriyle normal kuvveti, sürtünmeyi ve sistem seçimini açıklar.

Yasanın söylediği büyüklük net dış kuvvettir

College Board çerçevesinin 2.5 konusu sistemin kütle merkezinin ivmesini net dış kuvvete bağlar. Sabit kütleli sistem ve eylemsiz referans çerçevesinde ΣFdış=ma yazılır. Kuvvetleri vektörel toplarsınız; iki boyutta aynı yasa ayrı x ve y bileşenleri için kullanılır.

Net kuvvet sağa ise ivme sağadır; cismin o anda sağa gitmesi zorunlu değildir. Sola hareket eden bir cisme sağa net kuvvet etkiyorsa cisim başlangıçta yavaşlar. Net kuvvet sıfırsa ivme sıfırdır, hız mutlaka sıfır değildir. Sabit hızla hareket eden bir cisimde çeşitli kuvvetler bulunabilir ve birbirini dengeleyebilir.

Serbest cisim diyagramında ok nereden başlar?

Çerçevenin 2.2 konusu, cismi temsil eden noktadan başlayan ve kuvvetin yönüne uzanan etiketli okları kullanır. Sağa çekilen kutuda çekme oku sağa, ağırlık oku aşağı, yatay zeminin normal kuvvet oku yukarı yönelir. “Okun ucu mutlaka cisme doğru bakmalı” kuralı doğru değildir; ok uygulanan kuvvetin yönünü göstermelidir.

Her ok için bir etkileşim belirleyin: Dünya'nın kutuya yerçekimi kuvveti, zeminin kutuya temas kuvveti veya ipin kutuya çekme kuvveti gibi. Hız ve ivme kuvvet değildir. Gerçek kuvvetlerin yanına ayrıca “ma kuvveti” ya da onların toplamı olan net kuvveti ekleyerek aynı etkiyi iki kez saymayın. Kuvvet bileşenlerini hesapta kullanıyorsanız tam kuvveti yeniden aynı toplamın içine katmayın.

Bu rehberdeki bütün sayısal modeller özgündür; gerçek öğrenci verisi veya yayımlanmış AP sorusu değildir. g=10 m/s² seçimi açık bir hesap varsayımıdır. Başka görevde verilen yerçekimi değeri ve koşullar kullanılmalıdır.

Eğik çekme normal kuvveti değiştirir

5 kg kutu, yatay ve sabit zemin üzerinde sağa kayıyor olsun. İp kutuyu yatayın 30° üstünde 40 N ile çeksin; kinetik sürtünme katsayısı 0,20 olsun. Kutu zeminle temasta kalır ve düşey ivmesi sıfırdır. Sağı +x, yukarıyı +y seçelim. Diyagramda ağırlık, normal kuvvet, ip kuvveti ve sola kinetik sürtünme vardır.

Çekmenin düşey bileşeni 40 sin30°=20 N, yatay bileşeni 40 cos30°=20√3 N'dir. Düşey denklem N+20−50=0 olduğundan N=30 N çıkar. Kutunun yatay zeminde olması tek başına N=mg demeye yetmez; çekmenin yukarı bileşeni ağırlığın bir bölümünü dengeler.

Kinetik sürtünmenin büyüklüğü fk=μkN=0,20×30=6 N'dir. Sağ yönündeki net kuvvet 20√3−6≈28,64 N, ivme ax=(20√3−6)/5≈5,73 m/s² olur. İp kuvvetinin 40 N olan tam büyüklüğünden 6 N çıkarıp yatay ivme bulmak, düşey bileşeni de yatay toplama katardı.

Bu yön hesabında zemin sabit, kutu ona göre sağa kayıyor; sürtünme bu göreli kaymaya karşı sola yönelir. Sonucun N>0 olması temas varsayımıyla uyumludur. Başka veriler aynı denklemde negatif N çıkarsaydı, zeminin kutuyu aşağı çektiğini kabul etmek yerine temas modelini yeniden değerlendirmek gerekirdi.

Statik sürtünme her zaman μN değildir

Çerçevenin 2.7 konusu kinetik ve statik sürtünmeyi ayırır. Kinetik modelde kayma sırasında büyüklük μ_kN'dir. Statik sürtünme ise kaymayı önlemek için gereken değeri, en fazla fs,max=μsN sınırına kadar alır. Yönü cismin yere göre hızına bakarak otomatik seçilmez; temas yüzeylerinin birbirine göre kayma eğilimini değerlendirin.

Başka bir 5 kg kutu yatay zeminde başlangıçta duruyor olsun. Yatay çekme ve μ_s=0,40 için N=50 N ve statik sınır 20 N'dir. Sağa 12 N uygularsanız kayma başlamadan statik sürtünme sola 12 N olur; net kuvvet sıfırdır. Doğrudan sola 20 N yazmak kutunun sola ivmelendiği gibi yanlış bir sonuç üretirdi.

Çekme 25 N'ye çıkar ve kutu sağa kaymaya başlarsa, μ_k=0,20 için kinetik sürtünme 10 N olur. Yatay net kuvvet 15 N, ivme 3 m/s²'dir. Statik sınırı aşan durumda “statik sürtünme 25 N'ye ayarlanır” demek mümkün değildir. Kaymanın başladığı ve katsayının değiştiği koşulu denklemle birlikte yazın.

Asansörde hız yönü ile normal kuvveti karıştırmayın

4 kg cisim asansörün yatay tabanında duruyor ve tabanla birlikte hareket ediyor olsun. Cismi sistem seçerek yukarıyı pozitif alalım. Ağırlık 40 N aşağı, normal kuvvet N yukarıdır; N−40=4ay olur. Buradaki a_y asansörün yere bağlı eylemsiz gözlemciye göre ivmesidir.

Asansör yukarı giderken yavaşlıyorsa ivme aşağıdır ve N ağırlıktan küçüktür; aşağı giderken yavaşlıyorsa ivme yukarıdır ve N daha büyüktür. Yalnız “asansör yukarı gidiyor” bilgisi normal kuvveti belirlemez. Tabanın yalnız itme kuvveti sağlayabildiği modelde N<0 sonucu geçerli bir temas kuvveti değildir.

Üçüncü yasa çiftleri farklı cisimlerde bulunur

Çerçevenin 2.3 konusu etkileşim kuvvetlerinin eşit büyüklükte ve zıt yönde olduğunu açıklar. Zeminin kutuya normal kuvvetinin eşi kutunun zemine uyguladığı kuvvettir. Dünya'nın kutuya yerçekimi kuvvetinin eşi kutunun Dünya'ya uyguladığı yerçekimi kuvvetidir. Kutuya etkiyen normal kuvvet ile ağırlık, bazen dengelenseler bile üçüncü yasa çifti değildir.

İki sürtünmesiz araba aynı yatay ray üzerinde temas halinde olsun: A 2 kg, sağındaki B 3 kg. A'ya sağa 15 N uygulanıyor; arabalar birlikte hareket ediyor. İkisini sistem seçince iç temas kuvvetleri birbirini götürür ve a=15/(2+3)=3 m/s² bulunur. Düşey kuvvetler her arabanın düşey ivmesini sıfır yapar.

Yalnız B'nin yatay diyagramında A'nın sağa temas kuvveti vardır: FA→B=3×3=9 N. Yalnız A için sağa 15, sola B'nin 9 N kuvveti bulunur; 15−9=2×3 sağlanır. Eşit-zıt temas kuvvetleri farklı cisimlerde olduğu için tek arabanın diyagramından birbirini götürmez. Sistem sınırını değiştirince hangi kuvvetin iç veya dış olduğunu yeniden belirleyin.

İdeal ip ve makara varsayımını açık yazın

Atwood modelinde bir ideal, gerilmeyen ve kütlesi ihmal edilen ip; kütlesi ve eksen sürtünmesi ihmal edilen sabit makara üzerinden 3 kg ve 2 kg kütleleri bağlasın. İp gergin kalır. Ağır taraf için aşağı, hafif taraf için yukarı pozitif alınca 30−T=3a ve T−20=2a olur. İdeal bağ, ivme büyüklüklerini eşit tutar.

Toplayınca a=(30−20)/5=2 m/s², ardından T=24 N çıkar. Gerilme iki ağırlıktan herhangi birine otomatik eşit değildir. Aynı T'yi kullanmak burada ideal modelin sonucudur; dönme eylemsizliği olan makarada iki yandaki gerilmeler farklı olabilir. Kütlesi ihmal edilemeyen ipte gerilme konuma bağlı olabilir; bu durumu aynı basit iki denklemle genelleştirmeyin.

FRQ kontrolü: kuvveti, modeli ve sonucu bağlayın

Bir cevapta önce sistem sınırını, sonra kuvvetleri ve eksenleri belirtin. Normal kuvveti düşey koşuldan, sürtünmeyi geçerli temas modelinden, ivmeyi net dış kuvvetten bulun. Hesabın yönü ve birimi fiziksel yorumla tutarlı olsun. Her ok veya satır için evrensel yarım puan, her Newton sorusu için değişmez 12 puan dağılımı uydurmayın; değerlendirme görev özelindedir.

Güncel AP Physics 1 açıklaması Mayıs 2027 için 42 MCQ/85 dakika ve dört FRQ/95 dakika verir. Buradaki kuvvet örnekleri sabit süre kazancı veya puan garantisi sunmaz. Net kuvvetten bulunan ivmeyle konumu ve hızı hesaplamak için tek boyutta hareket rehberine, ders çalışmasını planlamak için AP Physics 1 kursu sayfasına geçebilirsiniz.

Sıkça sorulan sorular