5. Sınıf Fen Bilimleri Kuvveti Tanıyalım Konu Anlatımı

Rehberli anlatımda söylenen yönlendirmeler dâhil tam metin. Düşünme araları sessizdir.

1. Giriş

   Birlikte öğrenelim. Bir kutuyu ittiğinde kuvvet uyguladığını bilirsin; ama ne kadar kuvvet uyguladığını yalnız bakarak söyleyemezsin. Bu derste etkiyi tanıyacak, dinamometrenin ölçeğini okuyacak, kütle ile ağırlığı ayıracak, sürtünme ve yön hakkında kanıtla konuşacaksın. İlk iki bölümün ardından birinci, son iki bölümün ardından ikinci testi çöz. Üçüncü test bütün bölümleri yeni durumlarda birleştirir. Metindeki ölçümler düşünmek için verilmiştir; evde ağır cisim kaldırman, kaygan zeminde yürümen veya yaylarla deneme yapman gerekmez.

2. Ayrıntılı anlatım

   1. Kazanım: Kuvvet. Kısa cevap: Kuvvet itme veya çekme etkisiyle kendini gösterebilir; hareketi ya da şekli değiştirebilir. Kuvvetin büyüklüğü ölçülebilir. Duran bir topu harekete geçirmek, ilerleyen bir oyuncağı yavaşlatmak, topun yönünü değiştirmek veya süngeri sıkıştırmak kuvvetin farklı etkileridir. Etkinin her zaman hızlanma olması gerekmez. Elinle kapıyı itersin; bir ip aracılığıyla kutuyu çekebilirsin. Çekme sırasında elin kutuya doğrudan değmese de ip üzerinden kuvvet iletilir. Bir cismin şeklinin değişmesi de kuvvet etkisini gösterebilir; cismin bulunduğu yerin değişmesi şart değildir. Bir duvarı ittiğinde duvar yer değiştirmeyebilir. Bu, hiç kuvvet uygulamadığın anlamına gelmez. Kuvvetin varlığı ile gözlediğin sonucu ayrı ifade et: “İttim, fakat duvar yer değiştirmedi.” Kuvvet uygulanan her nesnenin mutlaka hareket edeceğini veya her hareketli nesnenin mutlaka hızlanacağını söylemeyiz. Başlangıç durumunu ve uygulamadan sonraki değişimi karşılaştırırız. Hareketin daha ayrıntılı nedenlerini bulmak için başka etkileri de bilmek gerekebilir; bu derste toplam kuvvet hesabı yapmıyoruz. Kuvvetin büyüklüğünü karşılaştırmak için ölçüm gerekir. Aynı kutuya iki farklı kişi çekme uyguladığında kimin daha büyük kuvvet uyguladığını yalnız kişinin boyundan veya sesinden çıkaramayız. Uygun ölçüm aracı ve ortak birim kullanırız. Bir raporda “Daha güçlü çekti.” yerine ölçülen büyüklüğü belirtmek daha açıktır. Güvenli bir sınıf gösterisinde öğretmenin hazırladığı küçük yükler kullanılır; ağır eşya çekmek, sert bir yayı zorlamak veya arkadaşını itmek öğrenme deneyi değildir. Örnek: Çözümlü örnek: Öğrenci süngeri sıktı; sünger masanın aynı yerinde kaldı fakat inceldi. Kuvvetin hangi etkisi gözlendi? Açıklama: Önceki ve sonraki durumu karşılaştırırız. Süngerin konumu değişmemiş, şekli değişmiştir. Bu yüzden gözlenen etki şekil değişikliğidir. “Yer değiştirmedi, kuvvet yok.” diyemeyiz; sıkıştırma kuvvetin etkisini zaten göstermiştir. Bir dur, sen dene: Hareket eden bir topa karşı yönde dokunulunca top yavaşlıyor. Burada kuvvet hızlandırmış mı? Kontrol et: Hayır, gözlenen etki yavaşlamadır. Kuvvetin sonucunu “Her zaman hızlanır.” ezberiyle değil, verilen önceki ve sonraki hareketle belirleriz. Sık hata: Hareket etmeyen cisme kuvvet uygulanamayacağını sanma; uygulama ile sonucu ayır. Sık hata: Kuvvetin tek etkisini hızlanma sayma; yavaşlama, yön veya şekil değişmesi de olabilir. Yanlış yaklaşım: Bir cisim yer değiştirmediyse ona hiç kuvvet uygulanmamıştır. Doğru yaklaşım: Kuvvet uygulanmış olabilir; sonuçta hareket olmaması tek başına kuvvet yokluğunu göstermez. Neden: Duvarı itme ve aynı yerdeki süngeri sıkıştırma, etki ile yer değiştirmenin farklı olduğunu gösterir. 2. Kazanım: Dinamometre. Kısa cevap: Dinamometre kuvvetin büyüklüğünü Newton (N) birimiyle ölçer. Ölçüm sınırını ve eşit aralıkların değerini kontrol ederek okunur. Dinamometrede esnek bir yayın uzamasından yararlanılır. Ölçülecek kuvvete uygun yay ve ölçüm sınırı seçilir. Aynı sağlam araçta, uygun ölçüm aralığında daha büyük kuvvet daha fazla uzama oluşturur. Ancak farklı iki aracın yayları farklıysa yalnız uzama uzunluğunu karşılaştırmak doğru değildir; üzerlerinde okunan Newton değerlerine bakarız. Bir yayın uzun görünmesi her durumda daha büyük kuvvet ölçüldüğünü kanıtlamaz. Aracın sınırını aşmak yayı bozabilir; böyle bir değeri zorlayarak ölçmeye çalışmayız. Ölçeği okumaya sıfırdan başla. Önce en büyük değeri ve eşit aralık sayısını bul. Sıfırdan 20 N’a kadar beş eşit aralık varsa her aralık 4 N’dur. Sıfırdan sonraki üçüncü işaret 12 N gösterir. Çizgileri değil, çizgiler arasındaki boşlukları say: altı işaret arasında beş aralık vardır. Ölçüme başlamadan boş araç sıfırı göstermeli, göstergeye uygun hizadan bakılmalıdır. Şüpheli başlangıç değeri görürsen öğretmenin kontrol etsin; yanlış başlangıcı yok sayıp kayda geçirme. Ağırlık bir kuvvettir ve dinamometreyle N olarak ölçülür. Kütle ise madde miktarıyla ilgilidir; kilogram veya gramla ifade edilir ve burada eşit kollu teraziyle karşılaştırılır. Aynı cisimden madde eksilmeden veya eklenmeden Dünya’dan Ay’a gidildiğinde kütlesi değişmez; Ay’daki ağırlığı daha az olur. Bu derste Dünya ve Ay karşılaştırmasıyla sınırlıyız, başka gezegenlere veya yer çekimi formülüne girmiyoruz. “Kütle: 3 kg, ağırlık: 30 N” türündeki bir kayıtta iki farklı büyüklük yazıldığını fark et; bu örnek her yerde zorunlu bir çevirme kuralı değildir. Örnek: Çözümlü örnek: 0 N ile 15 N arasında beş eşit aralık var. Gösterge sıfırdan sonraki dördüncü işarette. Değer kaçtır? Açıklama: Önce 15’i 5’e böleriz: bir aralık 3 N’dur. Sıfırdan itibaren dört aralık için 4 × 3 = 12 N okuruz. “Dördüncü işaret, 4 N” demeyiz; işaret sayısını aralık değeriyle birlikte kullanırız. Örnek: Çözümlü örnek: Bir araç en çok 10 N, diğeri en çok 30 N ölçüyor. 18 N olduğu bilinen bir kuvvet için hangisi uygun olabilir? Açıklama: 10 N sınırı yeterli değildir; zorlanırsa araç zarar görebilir. 30 N sınırı 18 N’ı kapsar. Diğer ölçüm koşulları uygunsa ikinci araç seçilir. Daha küçük aralıkları olan araç hassas olabilir; ama önce kuvveti güvenle ölçebilecek sınır aranır. Bir dur, sen dene: 0–12 N arası dört eşit aralıklı ölçekte, sıfırdan sonraki ikinci işaret kaç N’dur? Kontrol et: Her aralık 12 ÷ 4 = 3 N’dur. İki aralık 6 N eder. Ayrıca sonuç aracın 12 N sınırının içindedir. Sık hata: Newton yerine kilogram yazma; kuvvet ve kütlenin birimleri farklıdır. Sık hata: Çizgi sayısını aralık sayısı sanma veya farklı dinamometrelerin uzamalarını ölçeklerini okumadan karşılaştırma. Yanlış yaklaşım: Dinamometre kütleyi kilogram olarak ölçer. Doğru yaklaşım: Dinamometre kuvveti, örneğin ağırlığı Newton olarak ölçer. Neden: Kütle ile ağırlık ayrı büyüklüklerdir. Aynı cismin kütlesi Dünya ve Ay’da aynı kalırken ağırlığı değişebilir. 3. Kazanım: Sürtünme kuvveti. Kısa cevap: Sürtünme, temas eden yüzeylerin birbirine göre hareketini zorlaştırır. Hava ve su direnci de hareketi etkiler; sürtünme bazen yararlı, bazen azaltılması istenen bir etkidir. Masa üzerinde kayan bir kutu bir süre sonra yavaşlayabilir. Temas eden kutu ve masa yüzeyi arasındaki sürtünme bu harekete karşı etki eder. Aynı kutu ve benzer koşullar kullanıldığında pürüzlü yüzeyde kaymayı sürdürmek daha zor olabilir. “Pürüzsüz görünüyorsa hiç sürtünme yoktur.” demeyiz; az pürüzlü yüzeyde de sürtünme bulunabilir. Bir karşılaştırmada yüzeyin etkisini araştırıyorsak kutuyu, yükü ve başlangıç koşullarını aynı tutarız. Hem kutuyu hem yüzeyi değiştirirsek farkı yalnız yüzeye bağlayamayız. Sürtünme her zaman zararlı değildir. Ayakkabı ile zemin arasındaki tutunma yürümemize, frenler tekerleğin dönüşünü yavaşlatmaya, kalem ile kâğıt arasındaki etkileşim yazı oluşturmaya yardım eder. Bazı makine parçalarında ise sürtünmeyi azaltmak istenir; uygun yağlama hareketi kolaylaştırabilir ve aşınmayı azaltabilir. “Her yere yağ sürmek iyidir.” sonucu çıkmaz. Fren veya yürüme yüzeyini kayganlaştırmak güvenliği bozabilir. Amaç ve yüzey aynı anda düşünülmelidir. Hareket eden cisimler hava ve suyla da etkileşir. Açılmış paraşütün geniş yüzeyi hava direncini artırarak düşüşün yavaşlamasına yardım eder. Suda hareket eden bir cismin suyla karşılaşan biçimi su direncini etkileyebilir. Aynı koşullarda suyu daha kolay yaran biçim daha az dirençle karşılaşabilir. Bu örnekler direncin yok olduğu anlamına gelmez. Bir deney önerirken tek değişkeni seç, diğer koşulları aynı tut ve gözlemediğin sonucu kesinmiş gibi yazma. Kaygan zemin, yüksekten atlama veya suya girme bu yazılı çalışma için gerekli değildir. Örnek: Çözümlü örnek: Aynı tahta blok, aynı yükle ve aynı sabit hızda bir düz yüzeyde 3 N, pürüzlü yüzeyde 5 N çekilerek kaydırılıyor. Kayıt neyi destekler? Açıklama: Blok, yük ve hız aynı tutulmuş; yüzey değiştirilmiştir. Pürüzlü yüzeyde kaymayı sürdürmek için daha büyük çekme ölçülmesi, bu koşullarda sürtünmenin daha fazla olduğunu destekler. Bu iki ölçümden bütün yüzeylerin her koşulda aynı sonucu vereceğini veya düz yüzeyde sürtünmenin sıfır olduğunu çıkaramayız. Bir dur, sen dene: Yüzeyin kaymaya etkisini araştırırken bir denemede hafif kutu ve kumaş, diğerinde ağır kutu ve cam kullanmak yeterli mi? Kontrol et: Hayır. Hem yük hem yüzey değişmiş. Yalnız yüzeyin etkisini ayırmak için aynı kutuyu ve yükü kullanıp diğer başlangıç koşullarını da eşitlemek gerekir. Sık hata: Sürtünmeyi yalnız katılarda arama; hava ve su direnci de hareketi etkiler. Sık hata: Sürtünmeyi tüm durumlarda azaltılması gereken zarar sayma; yürümek ve durmak için tutunma gerekir. Yanlış yaklaşım: Sürtünme olmasaydı bütün işler daha güvenli ve kolay olurdu. Doğru yaklaşım: Bazı hareketlerde sürtünmeyi azaltır, güvenli tutunma ve durma gereken yerde artırırız. Neden: Bir parçayı rahat hareket ettirmekle bir ayakkabının yere tutunması aynı amaç değildir. 4. Kazanım: Kuvvetin yönü. Kısa cevap: Kuvveti anlatırken büyüklüğü ile hangi yöne uygulandığını ayırırız. Bir cismin hareket yönü, incelenen kuvvetin yönüyle her zaman aynı değildir. Masadaki bir kutu sağa doğru çekiliyorsa kutuya uygulanan çekmeyi sağa gösteren bir okla anlatabiliriz. “Sağ” derken aynı çizime bakan gözlemcinin yönünü sabit tutmak gerekir. Çizimin bir ucuna kapı, diğer ucuna pencere yazmak yönü daha açık kılar. Biri kutuya karşıdan bakınca kendi sağı değişebilir; bu nedenle soruda verilen sabit referansı kullanırız. Yalnız 6 N yazmak büyüklüğü, sağa veya sola yazmak yönü anlatır. İki çekmenin büyüklükleri eşit olduğu hâlde yönleri farklı olabilir. Bir cisim sağa kayarken yüzeyin ona uyguladığı kayma sürtünmesi sola yönelir. Cisim su içinde ilerlerken su direnci de suya göre hareketini zorlaştıran yönde etki eder. Kuvvetin yönünü belirlerken hangi kuvveti sorduğumuzu açıkça söyleriz: elin çekmesi mi, yüzeyin sürtünmesi mi? Tek bir resimde birden fazla etki olabilir. Bu bölümde kuvvetleri toplayıp net kuvvet hesabı yapmıyoruz. Bir oku diğerine ekleyerek sayı bulmak yerine, verilen etkiyi doğru yöne bağlıyoruz. Hareketli bir topa hareketinin karşı yönünde uygulanan itme topu yavaşlatabilir. O anda top hâlâ önceki yönde ilerliyor olabilir. Bundan “İtme mutlaka hareket yönündedir.” sonucu çıkmaz. Benzer biçimde kuvvet oku çizildi diye cismin kesinlikle o yönde yer değiştirdiğini söyleyemeyiz; başlangıç durumu ve diğer etkiler önemlidir. Düşünceni “Verilen çekme sola yöneliktir; hareketin tamamını belirlemek için başka bilgi gerekir.” biçiminde sınırlandırabilirsin. Bu yaklaşım, gördüğün veriyle bilmediğin şeyi birbirinden ayırmana yardım eder. Örnek: Çözümlü örnek: Şemada pencere solda, kapı sağda. Kutu kapıya doğru kayıyor. Yüzeyin kutuya uyguladığı kayma sürtünmesi hangi tarafa yönelir? Açıklama: Önce sabit şemayı okuruz: kapı sağdadır, dolayısıyla kutu sağa kaymaktadır. Sorulan elin çekmesi değil, yüzeyin sürtünmesidir. Kaymaya karşı etki eden sürtünme sola, yani pencere tarafına yönelir. Kutu hâlâ sağa kayıyor olabilir; sürtünmenin sola olması bunu tek başına tersine çevrilmiş saydırmaz. Bir dur, sen dene: İki okta da 4 N yazıyor; biri kapıya, diğeri pencereye yönelmiş. Aynı olan ve farklı olan nedir? Kontrol et: Büyüklükleri aynıdır: 4 N. Yönleri farklıdır. Eşit büyüklük, aynı yönde uygulandıkları anlamına gelmez. Sık hata: Cisim sağa gidiyor diye üzerindeki her kuvvetin sağa olduğunu söyleme. Sık hata: Yön tarifinde gözlemciyi değiştirme; sorunun sabit şemasını veya adlandırılmış taraflarını kullan. Yanlış yaklaşım: Hareketin yönünü gördüm; o hâlde bütün kuvvetlerin yönünü biliyorum. Doğru yaklaşım: Her kuvveti kendi etkisine göre ayrı incelerim; sürtünme kayma hareketine karşı yönde olabilir. Neden: Hareketin yönü ile belirli bir kuvvetin yönü farklı bilgiler olduğu için biri diğerini her durumda belirlemez.

3. Çalışma yöntemi

   Küçük adımlarla çalış. İlk iki bölümü çalış. 1. adım: Açıklamayı ve çözümlü örneği oku. Kendin dene kutusunu cevapladıktan sonra kontrol et. Ardından birinci testle bu iki bölümü çalış. Üçüncü ve dördüncü bölüme geç. 2. adım: Örnekleri incele, yaygın hatayı kendi sözünle açıkla. İkinci test bu iki bölüme odaklanır. Yeni durumla tekrar et. 3. adım: Üçüncü test dört bölümden öğrendiklerini birleştirir. Her yanlışta nedenini oku ve gösterilen aynı ders bölümüne dön.

4. Sık sorulanlar

   Merak edilenler. Soru: Dinamometredeki uzun yay mutlaka daha büyük kuvvet mi demektir? Cevap: Farklı araçlarda yay ve ölçek farklı olabilir. Aynı sağlam aracın uygun aralığında uzama ile kuvvet ilişkilidir; farklı araçları Newton okumalarıyla karşılaştırırız. Soru: Ay’a götürülen cismin kütlesi neden ağırlığıyla birlikte değişmez? Cevap: Madde eklenip çıkarılmadığında aynı cismin kütlesi değişmez. Ağırlık bulunduğu yerdeki çekim etkisiyle ilişkilidir; Ay’da Dünya’dakinden daha azdır. Soru: Test sonucu gerçek deney becerimi de kanıtlar mı? Cevap: Hayır. Bu testler yazılı ölçüm verisi ve durum yorumlamayı çalıştırır. Gerçek araç seçimi, güvenli ölçme ve model kurma öğretmen gözetiminde ayrıca değerlendirilir.