PHY1001 · 14. hafta · Linear Momentum and Collisions: Linear Momentum and its Conservation, Impulse and Momentum, Collision in One and Two Dimension, Center of Mass, Motion of a System of Particles, Rocket Propulsion

Kütle merkezi, parçacık sistemleri ve roket itişi

Kütle merkezinin konumu, hızı ve ivmesi; geri tepme, patlama ve kayıkta yürüyen insan; roket denkleminin kısa özeti.

center of masssystem of particleslinear mass densityvelocity of the center of massexternal forcerecoilexplosionrocket propulsionthrustexhaust speed

Çarpışmalarda iki cismin momentumunu ayrı ayrı takip ettin. Cisim sayısı artınca (bir patlama, bir insan ve kayık, bir roket ve egzozu) bütün sistemi tek bir noktanın hareketiyle özetlemek çok işe yarar. Bu nokta kütle merkezidir (center of mass). Sistemin içinde ne olursa olsun, kütle merkezi sadece dış kuvvetlere uyarak hareket eder.

Altın kurallar:

  1. Kütle merkezi kütlelerle ağırlıklı ortalamadır, orta nokta değil.
  2. v⃗cm=p⃗toplam/M\vec v_{cm} = \vec p_{\text{toplam}}/M.
  3. ∑F⃗dıs¸=Ma⃗cm\sum\vec F_{\text{dış}} = M\vec a_{cm}. İç kuvvetler (patlama, itişme, yürüme) kütle merkezini hareket ettiremez.
  4. Dış kuvvet yoksa ve sistem başta duruyorsa kütle merkezi yerinde kalır.

Kütle merkezinin konumu

Parçacıklardan oluşan bir sistemde (system of particles):

xcm=∑mixiMycm=∑miyiMM=∑mix_{cm} = \frac{\sum m_ix_i}{M} \qquad y_{cm} = \frac{\sum m_iy_i}{M} \qquad M = \sum m_i

Vektör olarak r⃗cm=1M∑mir⃗i\vec r_{cm} = \frac{1}{M}\sum m_i\vec r_i. Her bileşeni ayrı hesapla.

Çözümlü örnek 1. x ekseni üzerinde 1.00 kg (x=0x = 0), 2.00 kg (x=2.00x = 2.00 m) ve 5.00 kg (x=4.00x = 4.00 m).

xcm=(1.00)(0)+(2.00)(2.00)+(5.00)(4.00)8.00=24.08.00=3.00 mx_{cm} = \frac{(1.00)(0) + (2.00)(2.00) + (5.00)(4.00)}{8.00} = \frac{24.0}{8.00} = 3.00\ \text{m}

Ağır olan 5 kg’a yakın. Kütle merkezi her zaman en uç parçacıkların arasında kalır.

Çözümlü örnek 2. 2.00 kg (0,0)(0, 0)‘da, 3.00 kg (4.00,0)(4.00, 0)‘da, 1.00 kg (2.00,3.00)(2.00, 3.00)‘da (m).

x_cm = (2·0 + 3·4.00 + 1·2.00) / 6.00 = 14.0 / 6.00 = 2.33 m
y_cm = (2·0 + 3·0    + 1·3.00) / 6.00 =  3.00 / 6.00 = 0.500 m

TUZAK · geometrik merkez değil. Üç noktanın oluşturduğu üçgenin ağırlık merkezi, kütleler eşitse kütle merkezidir. Kütleler farklıysa ağırlıklı ortalamayı hesaplaman şart.

Sürekli cisimler

Toplam integrale dönüşür: xcm=1M∫x dmx_{cm} = \frac{1}{M}\int x\,dm. Çubuk için dm=λ dxdm = \lambda\,dx, λ\lambda doğrusal kütle yoğunluğu (linear mass density, kg/m). Düzgün ve simetrik cisimlerde kütle merkezi geometrik merkezdedir: düzgün çubukta ortada, düzgün diskte merkezde.

Çözümlü örnek 3. 1.50 m’lik çubuğun yoğunluğu λ=2x\lambda = 2x kg/m (bir uçtan diğerine artıyor).

M = ∫0^1.5 2x dx = [x²] = 2.25 kg
∫ x dm = ∫0^1.5 2x² dx = [2x³/3] = 2.25 kg·m
x_cm = 2.25 / 2.25 = 1.00 m   (ortadan, 0.75 m, ağır uca kaymış)

Sistemin hareketi

Konum formülünün zamana göre türevini al:

v⃗cm=∑miv⃗iM=p⃗toplamM∑F⃗dıs¸=Ma⃗cm\vec v_{cm} = \frac{\sum m_i\vec v_i}{M} = \frac{\vec p_{\text{toplam}}}{M} \qquad \sum\vec F_{\text{dış}} = M\vec a_{cm}

Sistemin toplam momentumu, bütün kütle kütle merkezinde toplanmış ve vcmv_{cm} ile gidiyormuş gibidir. İç kuvvetler Newton 3 gereği çiftler hâlinde birbirini götürür, bu yüzden denklemde sadece dış kuvvetler kalır.

Çarpışmada kütle merkezi

Bir önceki sayfadaki çarpışmayı hatırla: 1500 kg’lık araba 20.0 m/s ile duran 2500 kg’lık kamyona çarpıp yapışıyordu. Çarpışmadan önce kütle merkezinin hızı:

vcm=(1500)(20.0)+(2500)(0)4000=7.50 m/sv_{cm} = \frac{(1500)(20.0) + (2500)(0)}{4000} = 7.50\ \text{m/s}

Çarpışmadan sonra yapışık enkazın hızı da 7.50 m/s idi. Bu tesadüf değil. Çarpışma kuvvetleri iç kuvvettir, kütle merkezinin hızını değiştiremez. Yapışan cisimler zaten kütle merkeziyle birlikte hareket eder. Bu, tam esnek olmayan çarpışma sorularında hızlı bir kontrol yoludur.

Hangi kuvvetin iç, hangisinin dış olduğu sistemi nasıl seçtiğine bağlıdır. Araba ve kamyonu birlikte sistem seçersen çarpışma kuvveti içtir. Sadece arabayı seçersen kamyonun uyguladığı kuvvet dış kuvvet olur ve arabanın momentumu değişir. Sorunun başında sistemi açıkça yaz.

Sonuçları:

  • Patlama: havada patlayan merminin parçaları dağılır, ama kütle merkezi eski parabolde devam eder.
  • Geri tepme (recoil): başta duran sistemde toplam momentum sıfır kalır. Tüfek mermiye zıt yönde geri teper: mv+MV=0mv + MV = 0.
  • Kayıkta yürümek: sürtünmesiz suda kayık ve insan sisteminin kütle merkezi kıpırdamaz. İnsan ileri giderse kayık geri gider.

TUZAK · kayıkta yürüme mesafesi. İnsan kayığa göre LL yürür, kayık kıyıya göre dd geri gider. İnsanın kıyıya göre yer değiştirmesi L−dL - d olur. Denklem m(L−d)=Mdm(L - d) = Md, buradan d=mLm+Md = \dfrac{mL}{m + M}. Paydaya sadece MM yazmak en yaygın hata.

Roket itişi (kısa not)

Roket, egzoz gazını geriye fırlatarak ileri gider. Bu bir sürekli geri tepmedir; dış kuvvet gerekmez, boşlukta da çalışır. Egzoz rokete göre vev_e hızıyla (exhaust speed) çıkıyorsa:

Thrust=ve∣dMdt∣vf−vi=veln⁡MiMf\text{Thrust} = v_e\left|\frac{dM}{dt}\right| \qquad v_f - v_i = v_e\ln\frac{M_i}{M_f}

Çözümlü örnek 4. ve=2800 m/sv_e = 2800\ \text{m/s}, başlangıç kütlesi bitiş kütlesinin 3 katı, yakıt 15.0 kg/s yanıyor.

Δv = 2800 · ln 3 = 2800 · 1.0986 = 3.08 × 10³ m/s
Thrust = 2800 · 15.0 = 4.20 × 10⁴ N

Hız kütle oranının logaritmasıyla artar. Oranı ikiye katlamak hızı ikiye katlamaz; bu yüzden roketler çok kademelidir.

Karışık sınav örnekleri

Çözümlü örnek 5 (havada patlama). 10.0 kg’lık mermi yörüngesinin tepesinde yatay 30.0 m/s ile giderken iki parçaya ayrılıyor. 4.00 kg’lık parça patlamadan hemen sonra durgun (sonra düz aşağı düşüyor). Diğer parçanın hızı?

Patlama anında yatay momentum korunur (yerçekimi düşey, patlama çok kısa):
10.0 · 30.0 = 4.00 · 0 + 6.00 · v   →   v = 300 / 6.00 = 50.0 m/s (aynı yönde)
K önce:  ½ · 10.0 · 30.0² = 4.50 × 10³ J
K sonra: ½ · 6.00 · 50.0² = 7.50 × 10³ J   (patlamanın kimyasal enerjisi eklendi)

Patlamada kinetik enerji artar. Bu, esnek olmayan çarpışmanın tersidir: iç enerji kinetik enerjiye dönüşür. Momentum ise yine korunur.

Çözümlü örnek 6 (kayık). 60.0 kg’lık bir kişi, durgun suda duran 140 kg’lık kayığın bir ucundan diğerine kayığa göre 5.00 m yürüyor.

Kayığın kıyıya göre hareketi: d = m L / (m + M) = 60.0 · 5.00 / 200 = 1.50 m (geri)
Kişinin kıyıya göre hareketi: 5.00 - 1.50 = 3.50 m (ileri)
Kontrol: 60.0 · 3.50 = 210 = 140 · 1.50   ✓ (KM yerinde)
Soru tipiAna fikir
Noktaların KM’si∑mixi/M\sum m_ix_i/M, her eksen ayrı
KM hızıptoplam/Mp_{\text{toplam}}/M
Patlama, geri tepmeToplam momentum sabit (başta 0 ise sonra da 0)
Kayık, buz üstünde iki kişiKM yerinde kalır
Dış kuvvetli sistem∑Fdıs¸=Macm\sum F_{\text{dış}} = Ma_{cm}
RoketThrust =ve ∣dM/dt∣= v_e\,\lvert dM/dt\rvert, Δv=veln⁡(Mi/Mf)\Delta v = v_e\ln(M_i/M_f)

Sık yapılan hatalar

Yanlış düşünceDoğrusu
Kütle merkezi = orta noktaKütlelerle ağırlıklı ortalama
xcmx_{cm}‘de tek kütleye bölmekToplam kütle MM‘ye böl
Kütleler farklıyken geometrik merkez∑mixi/M\sum m_ix_i/M hesapla
vcmv_{cm} = hızların ortalaması∑mivi/M\sum m_iv_i/M, işaretiyle
İç kuvvetler KM’yi hızlandırırSadece ∑Fdıs¸\sum F_{\text{dış}}
Patlamadan sonra KM düşerAynı parabolde devam eder
Geri tepmede gram ile hesapkg’a çevir
Kayık problemi: d=mL/Md = mL/Md=mL/(m+M)d = mL/(m + M)
Roket denkleminde log⁡10\log_{10}Doğal log, ln⁡\ln
Δv=ve⋅Mi/Mf\Delta v = v_e \cdot M_i/M_fΔv=veln⁡(Mi/Mf)\Delta v = v_e\ln(M_i/M_f)

Kendini test et

Sınavdaki gibi İngilizce sorular. Önce kâğıt kalemle çöz, sonra cevabı aç.

Soru 1kolay

A 2.00 kg particle is at x = 0 and a 6.00 kg particle is at x = 4.00 m. Where is the center of mass?

  1. x = 2.00 m
  2. x = 3.00 m
  3. x = 1.00 m
  4. x = 1.33 m
  5. x = 4.00 m
Cevabı göster
B) x = 3.00 m

xcm=(2.00)(0)+(6.00)(4.00)8.00=3.00 mx_{cm} = \dfrac{(2.00)(0) + (6.00)(4.00)}{8.00} = 3.00\ \text{m}, ağır parçacığa yakın. A: orta nokta, kütleler eşitmiş gibi. C: hafif kütleyle ağırlıklandırılmış. D: toplam yerine tek kütleye bölünmüş. E: ağır parçacığın konumu.

Soru 2orta

Three particles lie in the xy plane: 1.00 kg at (0, 0), 2.00 kg at (3.00 m, 0) and 3.00 kg at (0, 4.00 m). Where is the center of mass?

  1. (1.00 m, 1.33 m)
  2. (2.00 m, 1.00 m)
  3. (1.50 m, 2.00 m)
  4. (3.00 m, 4.00 m)
  5. (1.00 m, 2.00 m)
Cevabı göster
E) (1.00 m, 2.00 m)

xcm=2.00⋅3.006.00=1.00 mx_{cm} = \dfrac{2.00 \cdot 3.00}{6.00} = 1.00\ \text{m}, ycm=3.00⋅4.006.00=2.00 my_{cm} = \dfrac{3.00 \cdot 4.00}{6.00} = 2.00\ \text{m}. A: üçgenin geometrik merkezi, kütleler yok sayılmış. B: x ve y yer değiştirmiş. C: x için yarım nokta alınmış.

Soru 3kolay

A 3.00 kg object moves at +4.00 m/s and a 1.00 kg object moves at −2.00 m/s. What is the velocity of their center of mass?

  1. +3.50 m/s
  2. +2.50 m/s
  3. +1.00 m/s
  4. +5.00 m/s
  5. 0 m/s
Cevabı göster
B) +2.50 m/s

vcm=(3.00)(4.00)+(1.00)(−2.00)4.00=2.50 m/sv_{cm} = \dfrac{(3.00)(4.00) + (1.00)(-2.00)}{4.00} = 2.50\ \text{m/s}. Bu, toplam momentumun toplam kütleye bölümü. A: eksi işaret atılmış. C: hızların ortalaması. D: toplam kütle yerine 2'ye bölünmüş.

Soru 4orta

A shell is fired from level ground and follows a parabolic path. At the top of its path it explodes into two fragments. Ignoring air resistance, the center of mass of the fragments (until one lands):

  1. stops and falls straight down
  2. moves in a straight horizontal line
  3. follows the path of the heavier fragment
  4. continues along the original parabola
  5. moves back toward the launch point
Cevabı göster
D) continues along the original parabola

Patlama kuvvetleri iç kuvvettir; birbirini götürür. Tek dış kuvvet yerçekimi, Ma⃗cm=Mg⃗M\vec a_{cm} = M\vec g. Kütle merkezi patlama olmamış gibi aynı parabolde devam eder. Parçalardan biri yere değdiği anda yerin kuvveti devreye girer ve bu kural biter.

Soru 5kolay

A 4.00 kg rifle at rest fires a 10.0 g bullet horizontally at 500 m/s. What is the recoil speed of the rifle?

  1. 0.125 m/s
  2. 12.5 m/s
  3. 1.25 m/s
  4. 500 m/s
  5. 1.25 × 10³ m/s
Cevabı göster
C) 1.25 m/s

Başta toplam momentum 0: 0=(0.0100)(500)+(4.00)V⇒V=−1.25 m/s0 = (0.0100)(500) + (4.00)V \Rightarrow V = -1.25\ \text{m/s}, ters yönde 1.25 m/s. A ve B: gram çevirisinde ondalık kayması. D: tüfek mermiyle aynı hızda. E: gram kilograma çevrilmemiş (10.0⋅500/4.0010.0 \cdot 500/4.00).

Soru 6zor

A 70.0 kg person stands at one end of a 210 kg boat floating at rest on calm water. The person walks 4.00 m toward the other end (relative to the boat). Ignoring water resistance, how far does the boat move relative to the shore?

  1. 1.33 m
  2. 4.00 m
  3. 3.00 m
  4. 0 m
  5. 1.00 m
Cevabı göster
E) 1.00 m

Dış yatay kuvvet yok, kütle merkezi yerinde kalır. Kayık dd geri giderse insan kıyıya göre 4.00−d4.00 - d ileri gider: 70.0(4.00−d)=210d⇒d=70.0⋅4.00280=1.00 m70.0(4.00 - d) = 210d \Rightarrow d = \dfrac{70.0 \cdot 4.00}{280} = 1.00\ \text{m}. A: toplam kütle yerine sadece kayık kütlesine bölünmüş. B: kayık insan kadar gider sanmak. C: insanın kıyıya göre yer değiştirmesi. D: kayık hareket etmez sanmak.

Soru 7orta

A rocket engine ejects exhaust gas at 2500 m/s relative to the rocket, burning fuel at 12.0 kg/s. What is the thrust?

  1. 3.00 × 10⁴ N
  2. 1.50 × 10⁴ N
  3. 208 N
  4. 1.80 × 10⁶ N
  5. 2.50 × 10³ N
Cevabı göster
A) 3.00 × 10⁴ N

İtme (thrust) =ve∣dMdt∣=(2500)(12.0)=3.00×104 N= v_e\left|\dfrac{dM}{dt}\right| = (2500)(12.0) = 3.00\times10^4\ \text{N}. B: kinetik enerjideki 12\tfrac12 eklenmiş. C: vev_e yakma hızına bölünmüş. D: kg/s, kg/min sanılıp 60 ile çarpılmış. E: sadece egzoz hızı.

Soru 8orta

A rocket in deep space has exhaust speed ve=3000 m/sv_e = 3000\ \text{m/s}. Its initial mass is 4.00 times its final (burnt-out) mass. Starting from rest, what is its final speed?

  1. 1.20 × 10⁴ m/s
  2. 1.81 × 10³ m/s
  3. 4.16 × 10³ m/s
  4. 9.00 × 10³ m/s
  5. 2.25 × 10³ m/s
Cevabı göster
C) 4.16 × 10³ m/s

Roket denklemi: vf−vi=veln⁡MiMf=3000ln⁡4.00=4.16×103 m/sv_f - v_i = v_e\ln\dfrac{M_i}{M_f} = 3000\ln 4.00 = 4.16\times10^3\ \text{m/s}. A: ln unutulmuş, oranla çarpılmış. B: doğal log yerine log⁡10\log_{10}. D: ve(Mi/Mf−1)v_e(M_i/M_f - 1). E: ve(1−Mf/Mi)v_e(1 - M_f/M_i).

Soru 9orta

A 2.00 kg particle is at x = 1.00 m and a 3.00 kg particle is at x = 5.00 m. Where (x, in m) must a 5.00 kg particle be placed so that the center of mass of all three is at x = 2.00 m?

Cevabı göster
0.600 m

xcm=(2.00)(1.00)+(3.00)(5.00)+5.00x10.0=2.00⇒17.0+5.00x=20.0⇒x=0.600 mx_{cm} = \dfrac{(2.00)(1.00) + (3.00)(5.00) + 5.00x}{10.0} = 2.00 \Rightarrow 17.0 + 5.00x = 20.0 \Rightarrow x = 0.600\ \text{m}.

Soru 10orta

Two blocks on a frictionless surface form a system: a 2.00 kg block pushed east by a 6.00 N force and a 3.00 kg block pushed west by a 4.00 N force. What is the acceleration (in m/s²) of the system's center of mass?

Cevabı göster
0.400 m/s² east

∑Fdıs¸=Macm\sum F_{\text{dış}} = M a_{cm}: acm=6.00−4.005.00=0.400 m/s2a_{cm} = \dfrac{6.00 - 4.00}{5.00} = 0.400\ \text{m/s}^2, doğuya. Kuvvetleri işaretsiz toplayan 2.00 m/s² bulur. Blokların kendi ivmeleri farklı ama kütle merkezini sadece net dış kuvvet belirler.

Soru 11kolay

A 6.00 kg object at rest explodes into two pieces. A 2.00 kg piece flies east at 9.00 m/s. What is the velocity of the other piece?

  1. 4.50 m/s east
  2. 9.00 m/s west
  3. 3.00 m/s west
  4. 4.50 m/s west
  5. 18.0 m/s west
Cevabı göster
D) 4.50 m/s west

0=(2.00)(9.00)+(4.00)v⇒v=−4.50 m/s0 = (2.00)(9.00) + (4.00)v \Rightarrow v = -4.50\ \text{m/s}, batıya. A: yön ters (momentum sıfır olmaz). B: parçalar eşit hızlı sanmak. C: toplam kütleye (6.00) bölünmüş. E: kütle oranı ters kullanılmış.

Doğrulama: Tüm sayısal cevaplar ve çeldiriciler node ile hesaplandı (verify/PHY1001/14.mjs); sürekli çubuğun kütle merkezi sayısal integral ile kontrol edildi.

Deftere not kartı

x_cm = Σ m_i x_i / M y_cm = Σ m_i y_i / M (M = toplam kütle) Sürekli cisim: x_cm = (1/M) ∫ x dm, dm = lambda dx Simetrik, düzgün cisim: kütle merkezi geometrik merkezde v_cm = Σ m_i v_i / M = p_toplam / M Σ F_dış = M a_cm (iç kuvvetler sayılmaz) F_dış = 0 → v_cm sabit; başta duruyorsa x_cm yerinde kalır Patlama: parçaların KM'si eski yolda devam eder Geri tepme: 0 = m v + M V → V = -m v / M (g → kg!) Kayıkta yürüme: m (L - d) = M d → d = m L / (m + M) Roket itmesi: Thrust = v_e |dM/dt| Roket denklemi: vf - vi = v_e ln(Mi/Mf) (doğal log, ln)