Eylemsizlik

Eylemsizlik, herhangi bir fiziksel nesnenin hızındaki bir değişikliğe karşı gösterdiği dirençtir. Bu, nesnenin hızındaki veya hareket yönündeki değişiklikleri içerir. Bu özelliğin bir yönü, nesnelerin, üzerlerinde hiçbir kuvvet etki etmediğinde düz bir çizgide sabit bir hızda hareket etmeye devam etme eğilimidir. ⓘ

Eylemsizlik, Latince boşta duran, halsiz anlamına gelen iners kelimesinden gelmektedir. Eylemsizlik, fiziksel sistemlerin nicel bir özelliği olan kütlenin birincil tezahürlerinden biridir. Isaac Newton, anıtsal eseri Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica'da eylemsizliği bir kuvvet olarak tanımlamıştır:

TANIM III. Vis insita ya da maddenin doğuştan gelen kuvveti, her cismin, içinde bulunduğu kadarıyla, ister dinlenme ister doğru bir çizgide düzgün bir şekilde ilerleme olsun, mevcut durumunda sebat etmeye çalıştığı bir direnme gücüdür. ⓘ

Diğer bazı tanımlardan sonra Newton (Motte-Cajori'nin İngilizce çevirisi s.83) ilk hareket yasasını belirtir:

YASA I. Her cisim, üzerine etki eden kuvvetler tarafından bu durumu değiştirmeye zorlanmadıkça, durgun halinde ya da doğru bir çizgide düzgün hareket halinde sebat eder. ⓘ

"Perseveres" kelimesinin Newton'un Latincesinden doğrudan bir çeviri olduğuna dikkat ediniz. "Devam etmek" ya da "kalmak" gibi daha az güçlü diğer terimler modern ders kitaplarında yaygın olarak yer almaktadır. Modern kullanım, Newton'un orijinal mekaniğinde (Principia'da belirtildiği gibi) Euler, d'Alembert ve diğer Kartezyenler tarafından yapılan bazı değişikliklerden kaynaklanmaktadır. ⓘ

Yaygın kullanımda "eylemsizlik" terimi, bir nesnenin "hızdaki değişime karşı direnç miktarı" ya da daha basit bir ifadeyle "hareketteki değişime karşı direnç" (kütlesi ile ölçülür) ya da bazen bağlama bağlı olarak momentumu anlamına gelebilir. "Eylemsizlik" terimi, Newton'un yukarıda belirtilen birinci hareket yasasında tanımladığı ve bir cismin, bir kuvvet hızının veya yönünün değişmesine neden olana kadar mevcut hızında hareket etmeye devam edeceği "eylemsizlik ilkesi "nin kısaltması olarak daha doğru bir şekilde anlaşılmaktadır. ⓘ

Dünya yüzeyinde eylemsizlik genellikle yerçekimi, sürtünme ve hava direncinin etkileriyle maskelenir ve her ikisi de hareket eden nesnelerin hızını (genellikle durma noktasına kadar) azaltma eğilimindedir. Bu durum filozof Aristoteles'i, nesnelerin yalnızca kendilerine kuvvet uygulandığı sürece hareket edeceğine inanma yanılgısına düşürmüştür. ⓘ

Eylemsizlik ilkesi, nesnelerin hareketini ve üzerlerine uygulanan kuvvetlerden nasıl etkilendiklerini tanımlamak için bugün hala kullanılan klasik fiziğin temel ilkelerinden biridir. ⓘ

Doğrusal harekette cismin eylemsizliği kütlesiyle doğru orantılıdır. Newton'un ikinci hareket kanunu olan $\mathbf {F} =m\mathbf {a}$ bunu bize göstermektedir. Kütleleri farklı olan iki cisme aynı kuvveti uyguladığımızda, kütlesi büyük olan cisim daha yavaş hızlanır. Düzgün dairesel harekette ise cismin eylemsizliği eylemsizlik momentiyle doğru orantılıdır. Eylemsizlik momenti büyük cisimlere açısal ivme kazandırmak daha zordur. Dairesel harekette ise ⓘ

${\boldsymbol {\tau }}_{\mathrm {net} }={\frac {\mathrm {d} \mathbf {L} }{\mathrm {d} t}}={\frac {\mathrm {d} (I{\boldsymbol {\omega }})}{\mathrm {d} t}}=I{\frac {\mathrm {d} {\boldsymbol {\omega }}}{\mathrm {d} t}}=I{\boldsymbol {\alpha }},$ eşitliği vardır. ⓘ

• τ:Tork
• I:Eylemsizlik momenti
• α:Açısal ivme ⓘ

Newton'un beşiği.

Eylemsizlik üzerine bir deney ⓘ

Kavramın tarihi ve gelişimi

Erken hareket anlayışı

Sinolog Joseph Needham, eylemsizliğin ilk tanımı olarak Mozi'yi (Savaşan Devletler dönemine (M.Ö. 475-221) ait bir Çin metni) gösterir. Avrupa Rönesans'ından önce batı felsefesinde hakim olan hareket teorisi Aristoteles'in (M.Ö. 335 - M.Ö. 322) teorisiydi. Aristoteles, (Dünya üzerinde) hareket eden tüm nesnelerin, harici bir güç (kuvvet) onları hareket ettirmeye devam etmediği sürece eninde sonunda duracağını söylemiştir. Aristoteles, projektörlerinden ayrıldıktan sonra mermilerin devam eden hareketini, mermiyi hareket ettirmeye devam eden çevredeki ortamın (kendisi açıklanamayan) bir eylemi olarak açıklamıştır. ⓘ

Genel kabul görmesine rağmen, Aristoteles'in hareket kavramı yaklaşık iki bin yıl boyunca önemli filozoflar tarafından çeşitli vesilelerle tartışılmıştır. Örneğin, Lucretius (muhtemelen Epikuros'u takip ederek) maddenin "varsayılan durumunun" durağanlık değil hareket olduğunu belirtmiştir. 6. yüzyılda John Philoponus, Aristoteles'in ortamın mermilerin hareket etmesini sağladığı mermi tartışması ile ortamın bir cismin hareketini engelleyeceği boşluk tartışması arasındaki tutarsızlığı eleştirmiştir. Philoponus, hareketin çevredeki bir ortamın etkisiyle değil, harekete geçirildiğinde cisme kazandırılan bazı özelliklerle sağlandığını öne sürmüştür. Her ne kadar bu modern eylemsizlik kavramı olmasa da, çünkü hala bir cismi hareket halinde tutmak için bir güce ihtiyaç vardı, bu yönde temel bir adım olduğunu kanıtladı. Bu görüşe İbn Rüşd ve Aristoteles'i destekleyen pek çok skolastik filozof şiddetle karşı çıkmıştır. Ancak bu görüş, Philoponus'un fikirlerini daha da geliştiren birçok destekçisinin olduğu İslam dünyasında tartışmasız kalmadı. ⓘ

11. yüzyılda İranlı polimat İbn-i Sina (Avicenna) boşluktaki bir merminin harekete geçirilmediği sürece durmayacağını iddia etmiştir. ⓘ

İvme teorisi

14. yüzyılda Jean Buridan impetus adını verdiği hareket üreten bir özelliğin kendiliğinden dağıldığı fikrini reddetmiştir. Buridan'a göre, hareket eden bir cisim havanın direnci ve cismin ağırlığıyla durdurulacak ve bu da onun itici gücüne karşı koyacaktı. Buridan aynı zamanda itici gücün hız ile birlikte arttığını da savunuyordu; dolayısıyla onun ilk itici güç fikri birçok yönden modern momentum kavramına benziyordu. Daha modern eylemsizlik fikirleriyle olan bariz benzerliklerine rağmen Buridan, teorisini Aristoteles'in temel felsefesinin sadece bir modifikasyonu olarak görmüş ve hareket halindeki bir nesne ile hareketsiz bir nesne arasında hala temel bir fark olduğu inancı da dahil olmak üzere diğer birçok peripatetik görüşü korumuştur. Buridan ayrıca itici gücün sadece doğrusal değil, aynı zamanda dairesel de olabileceğine ve nesnelerin (gök cisimleri gibi) bir daire içinde hareket etmesine neden olabileceğine inanıyordu. ⓘ

Buridan'ın düşüncesi, öğrencisi Saksonyalı Albert (1316-1390) ve Aristoteles modelini daha da zayıflatan çeşitli deneyler yapan Oxford Hesapçıları tarafından takip edildi. Onların çalışmaları da, hareket yasalarını grafiklerle gösterme uygulamasına öncülük eden Nicole Oresme tarafından detaylandırıldı. ⓘ

Galileo'nun eylemsizlik teorisinden kısa bir süre önce Giambattista Benedetti, büyüyen itici güç teorisini yalnızca doğrusal hareketi içerecek şekilde değiştirdi:

"...[Herhangi bir] dış itici güç tarafından kendisine bir itici güç uygulandığında kendi kendine hareket eden cismani maddenin herhangi bir kısmı, eğri değil doğrusal bir yol üzerinde hareket etme doğal eğilimine sahiptir." ⓘ

Benedetti, dairesel harekete zorlanan nesnelerin doğal doğrusal hareketine örnek olarak bir kayanın askıdaki hareketini göstermektedir. ⓘ

Klasik eylemsizlik

Bilim tarihçisi Charles Coulston Gillispie'ye göre eylemsizlik, "Descartes'ın uzay-madde geometrisinin Tanrı'nın değişmezliğiyle birleşmesinin fiziksel bir sonucu olarak bilime girmiştir." ⓘ

Galileo Galilei ⓘ

"Boşluktaki hareketler" için Aristo ile ortaya çıkan eylemsizlik ilkesi, bir nesnenin hareket değişikliğine direnme eğiliminde olduğunu belirtir. Newton'a göre bir cisim, yerçekimi, sürtünme, temas veya başka bir kuvvetten kaynaklanan net bir dış kuvvet tarafından etkilenmedikçe hareketsiz kalacak veya hareket halinde kalacaktır (yani hızını koruyacaktır). Aristoteles'in hareketi dünyevi ve göksel olarak ikiye ayırması, 16. yüzyılda Nicolaus Copernicus'un Dünya'nın hiçbir zaman hareketsiz olmadığını, aslında Güneş'in etrafında sürekli hareket halinde olduğunu savunan sonuçları karşısında giderek daha sorunlu hale gelmiştir. Galileo, Kopernik modelini daha da geliştirirken, hareketin o zamanlar kabul edilen doğasıyla ilgili bu sorunların farkına vardı ve sonuç olarak, en azından kısmen, Aristoteles'in boşluktaki hareket tanımını temel bir fiziksel ilke olarak yeniden ifade etti:

Düz bir yüzey üzerinde hareket eden bir cisim, rahatsız edilmediği sürece aynı yönde sabit bir hızla ilerlemeye devam edecektir. ⓘ

Galileo, "tüm dış engeller ortadan kaldırıldığında, dünya ile eşmerkezli küresel bir yüzey üzerindeki ağır bir cisim, içinde bulunduğu durumu koruyacaktır; (örneğin) batıya doğru harekete geçirilirse, bu hareketini sürdürecektir" diye yazar. Bilim tarihçileri tarafından "dairesel eylemsizlik" veya "yatay dairesel eylemsizlik" olarak adlandırılan bu kavram, Newton'un doğrusal eylemsizlik kavramının öncüsüdür, ancak ondan farklıdır. Galileo'ya göre bir hareket, hareket eden cismi dünyanın merkezine doğru ya da merkezinden uzağa taşımıyorsa "yataydır" ve ona göre "örneğin bir gemi, sakin denizde bir kez ivme kazandıktan sonra, hiç durmadan dünyamızın etrafında sürekli hareket edecektir." ⓘ

Galileo'nun daha sonra (1632'de) bu ilk eylemsizlik önermesine dayanarak, karşılaştırılacak bir dış referans olmadan hareketli bir nesne ile durağan bir nesne arasındaki farkı söylemenin imkansız olduğu sonucuna vardığını da belirtmek gerekir. Bu gözlem nihayetinde Albert Einstein'ın özel görelilik teorisini geliştirmesi için temel oluşturdu. ⓘ

Aristotelesçi hareket modelinden tamamen kopan ilk fizikçi 1614 yılında Isaac Beeckman olmuştur. ⓘ

Eylemsiz kütlenin etkisi: yavaş çekilirse üstteki iplik kopar (a). Hızlı çekilirse alttaki iplik kopar (b) ⓘ

Galileo'nun yazılarındaki eylemsizlik kavramları daha sonra Isaac Newton tarafından rafine edilecek, değiştirilecek ve Hareket Yasalarının ilki olarak kodlanacaktır (ilk olarak 1687'de Newton'un Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica adlı eserinde yayınlanmıştır):

Her cisim, üzerine etki eden kuvvetler tarafından bu durumu değiştirmeye zorlanmadıkça, durgun halini ya da doğru bir çizgi üzerinde düzgün hareketini sürdürür.

İlk yayınlanışından bu yana Newton'un Hareket Yasaları (ve buna dahil olarak bu ilk yasa) klasik mekanik olarak bilinen fizik dalının temelini oluşturmuştur. ⓘ

"Eylemsizlik" terimi ilk kez Johannes Kepler tarafından Epitome Astronomiae Copernicanae (1617-1621 yılları arasında üç bölüm halinde yayınlandı) adlı eserinde kullanıldı; ancak Kepler'in teriminin anlamı (Latince "aylaklık" veya "tembellik" anlamına gelen kelimeden türettiği) modern yorumuyla tam olarak aynı değildi. Kepler eylemsizliği yalnızca harekete karşı bir direnç olarak tanımlamıştı ve bu da yine dinlenmenin açıklamaya ihtiyaç duymayan doğal bir durum olduğu varsayımına dayanıyordu. Galileo ve Newton'un daha sonraki çalışmaları durgunluk ve hareketi tek bir prensipte birleştirene kadar "eylemsizlik" terimi bu kavramlara bugün olduğu gibi uygulanamadı. ⓘ

Bununla birlikte, hareket yasalarında kavramı bu kadar zarif bir şekilde tanımlamasına rağmen, Newton bile Birinci Yasasına atıfta bulunmak için "eylemsizlik" terimini kullanmamıştır. Aslında Newton, Birinci Hareket Yasası'nda tanımladığı olguya, maddenin doğasında var olan ve herhangi bir ivmelenmeye direnen "içsel kuvvetlerin" neden olduğunu düşünüyordu. Bu bakış açısıyla ve Kepler'den ödünç alarak, Newton "eylemsizlik" terimini "bir nesnenin sahip olduğu ve hareket değişikliklerine direnen doğuştan gelen kuvvet" anlamına gelecek şekilde atfetmiştir; böylece Newton "eylemsizliği" olgunun kendisinden ziyade olgunun nedeni olarak tanımlamıştır. Bununla birlikte, Newton'un "doğuştan gelen direnç kuvveti" ile ilgili orijinal fikirleri çeşitli nedenlerle nihayetinde sorunluydu ve bu nedenle çoğu fizikçi artık bu terimlerle düşünmemektedir. Alternatif bir mekanizma kolayca kabul edilmediğinden ve bilebileceğimiz bir mekanizma olmayabileceği artık genel olarak kabul edildiğinden, "eylemsizlik" terimi herhangi bir içsel mekanizmadan ziyade sadece olgunun kendisini ifade eder hale gelmiştir. Böylece, sonuçta, modern klasik fizikte "eylemsizlik" Newton'un Birinci Hareket Yasası tarafından tanımlanan aynı olgunun bir adı haline gelmiştir ve iki kavram artık eşdeğer olarak kabul edilmektedir. ⓘ

Görelilik

Albert Einstein'ın 1905 tarihli "Hareketli Cisimlerin Elektrodinamiği Üzerine" başlıklı makalesinde önerdiği özel görelilik teorisi, Galileo ve Newton tarafından geliştirilen eylemsiz referans çerçeveleri anlayışı üzerine inşa edilmiştir. Bu devrimci teori kütle, enerji ve mesafe gibi birçok Newtoncu kavramın anlamını önemli ölçüde değiştirmiş olsa da, Einstein'ın eylemsizlik kavramı Newton'un orijinal anlamından değişmeden kalmıştır. Ancak bu, özel göreliliğin doğasında var olan bir sınırlamayla sonuçlandı: görelilik ilkesi yalnızca eylemsiz referans çerçevelerine uygulanabilirdi. Einstein bu sınırlamayı ele almak için, eylemsiz (ivmeli) referans çerçevelerini de içeren bir teori sağlayan genel görelilik teorisini ("The Foundation of the General Theory of Relativity", 1916) geliştirdi. ⓘ

Dönme eylemsizliği

dönme ataleti ⓘ

Eylemsizlikle ilgili bir nicelik de dönme eylemsizliğidir (→ eylemsizlik momenti), dönen katı bir cismin düzgün dönme hareketi durumunu koruması özelliğidir. Harici bir tork uygulanmadığı sürece açısal momentumu değişmeden kalır; buna açısal momentumun korunumu da denir. Dönme eylemsizliği genellikle katı bir cisimle ilişkili olarak ele alınır. Örneğin, bir jiroskop dönme eksenindeki herhangi bir değişikliğe direnç gösterme özelliğini kullanır. ⓘ