Kütle ve Ağırlık Arasındaki Fark

KÜTLE VE AĞIRLIK

Nedir ağırlık? Ağırlıksızlık? Bir yapay uydu içinde dolaşan, deney yapan, su içen astronotların ağırlıkları var mı, yok mu? Dünya onları çekiyor mu, çekmiyor mu? Daha genel olarak, kütle, yerçekimi, ağırlık ve bunların ilişkileri hakkında bilgimiz yeterli mi? Yoksa, çoğumuzun yaptığı gibi, birini ötekiyle, diğerini başkalarıyla karıştırıp, kendimiz de işin içinden çıkamıyor muyuz? Eğer bu sorulara kendinizi inandırabilecek açıklamalarınız yoksa yalnız değilsiniz.
BÜTÜN yaşamımız Dünya üzerinde. O'na yerçekimi ile o kadar bağıl ve bağımlıyız ki, ağırlıksız olmayı bazen gerçek dışı, bazen heyecan verici, hatta korkutucu bir durum gibi algılamaktan kendimizi alamayız. Lunaparklarda rağbet gören oyunlar, insana kendini boşluktaymış gibi hissettirir. Tramplenden suya atlarken, arabayla bir tümseği hızla aşarken içimizde bir şeylerin eksildiğini, yok olduğunu duyar, ürpeririz. Bindiğimiz asansörün halatı kopsa ne hissedeceğimiz hakkında iyi kötü bir fikrimiz vardır.
İnsanoğlu, mekanik denilen hareket bilimini ve onun sıcaklığa uzantısı olan termodinamiği ancak son zamanlarda geliştirip, anlamaya başladı. Hâlâ çoğumuz, kütleyi ağırlıkla, kuvveti güçle, gücü enerjiyle, ısıyı sıcaklıkla karıştırır dururuz. Ağırlıksızlık uzayı çağrıştırdığı, uzay da atmosferin ötesinde olduğu için, atmosferin dışına çıkar çıkmaz ağırlığımızın yok olacağını düşünürüz. Bütün bu karışıklık ve yanlış anlamaların altında, bazı temel kavramlar ve bunların birbirleri ile ilişkilerini doğru ve sindirerek bilmememiz yatıyor. Gelin, önce bu temel kavramları gözden geçirelim.

Önce Kütleyi Tanıyalım
Terazide bir şey tartarken kullanılan, "bir kilo" denilen demir parçası bazen başka işlere de yarar: Çivi çakmak, ceviz kırmak gibi. İster tartmada ister öteki işlerde olsun faydalanılan şey, o demir parçasının sanki adı gibi değişmez bir özelliğidir: Kütlesi. Zaten "Bir kilo" diye anılmasının nedeni, kütlesinin 1 kilogram yani 1000 gram olması (1 kg=1000 g). Dünya üzerinde nerede, hatta hangi uydu veya gezegende bulunursak bulunalım, neyin etrafında dönüyor, ne kadar hızlı veya yavaş gidiyor olursak olalım, yanımızda taşıdığımız "bir kilo"nun kütlesi daima 1 kg olarak kalacak ve çivi çakmak gibi kinetik enerjisinin kullanıldığı işlerde daima aynı derecede işimize yarayacaktır.
Kütle, bir maddenin değişmez kimliğidir. Maddenin korunumu kütlenin değişmemesi ile eşdeğerdir. (Bu arada, bizim de bir madde olarak kütlemizin değişmemesi, örneğin 72 kg değerini koruması beklenir. Ancak canlıların, canlı kalabilmek için gerekli olan çevreyle besin ve atık alışverişi yüzünden kütleleri değişir. Büyüme, zayıflama, "kilo" alma vb, bu değişmelere verdiğimiz isimlerdir.) Her maddenin, küçük veya büyük olsun, kendine özel bir kütlesi vardır. Bu yüzden madde yerine kütle de diyebiliriz.
Kütleyi tanıdıktan sonra, onunla en çok karıştırılan ağırlık kavramına geçmemiz beklenirdi. Her ne kadar ağırlık yerçekimi olmadan da tanımlanabilecek bir olgu ise de, hemen her zaman yerçekimi ile ilişkili olarak algılandığı için, önce şu yerçekimi, daha genel adıyla kütlesel çekim üzerinde durmak yerinde olur.

Nedir Kütlesel Çekim?
Maddeler (kütleler) birbirini çeker. Yani bir madde bir başkasına, onu kendisine doğru gelmeye zorlayan bir kuvvet uygular; bunu aralarında yay, ip, hava gibi hiçbir bağlayıcı ortama gerek olmadan yapar. Öteki madde de aynı şekilde birincisini, onu kendine doğru gitmeye zorlayıcı, aynı büyüklükte (tabii ki ters yönde) bir kuvvetle çeker. Örneğin, Dünya bir tenis topunu aşağı doğru bir kuvvetle çekerken, tenis topu da Dünya'yı yukarı doğru aynı büyüklükte bir kuvvetle çeker. Bu birbirine denk çekme kuvveti, iki maddenin de kütleleri ile doğru orantılıdır. Yine bu kuvvet iki kütlenin sanki birbirlerini "gördükleri" sanal büyüklükle de orantılıdır. Örneğin, 1 m uzaktaki tenis topu 2 m uzağa gidince sanki eskisinin dörtte biri kadarmış gibi gözükür. 100 m uzakta, yani onbinde bir küçüklükte ise topu görmekte güçlük çekeriz. Çekim kuvveti de o oranda, yani uzaklığın karesi ile ters orantılı olarak değişir. Yani 1 m uzaktaki tenis topunu, kütlemizden dolayı çektiğimiz kuvvet, 100 m uzakta onbinde bire düşer. Fakat bizimle top arasındaki bu kuvvet çok yakında bile o kadar küçüktür ki, top hiç de bize doğru yaklaşmaya tenezzül etmez, sanki. Ancak, kütlelerden hiç değilse biri çok büyükse çekim kuvveti önemli bir büyüklüğe ulaşır. Örneğin, bizim yerimize Dünya'yı alırsak, onun çekim kuvveti (yani topa etki eden yerçekimi) bizimkinden o kadar büyüktür ki, elimizden bıraktığımız top bize yaklaşmaktansa Dünya'ya yaklaşmayı (düşmeyi) tercih eder.
Çekim kuvvetini belirleyen uzaklık, iki cismin kütle merkezleri arasındaki uzaklıktır. Dünya ve üzerindeki topu alırsak bu uzaklık Dünya'nın ortalama yarıçapından çok az farklıdır (6371 km). Onun için, deniz seviyesinde veya yükseklerde, ekvatorda veya kutuplarda olmak pek fazla değiştirmez Dünya'nın bize uyguladığı çekim kuvvetini. Yaklaşık olarak 1 kg kütleye bu ortalama uzaklıkta 9,83 N (Newton) etki eder. Benim kütleme göre İstanbul'da, örneğin 700 N kuvvetle çekiliyorsam, Antarktika kıyılarında ancak 5 N daha fazla, Everest zirvesinde 2 N daha az bir çekim kuvvetine maruz kalacaktım. Peki daha uzaklarda? Yer'den 240 km yüksekte (herhangi bir uydu uzaklığında) 650 N, 36 000 km de (yer istasyonu uzaklığında) 22 N, Ay uzaklığında 0,19 N; yani uzaklığın karesiyle azalan bir kuvvet, ama yine de sıfır değil. Dünya yerine başka büyük kütleleri alırsak, örneğin Ay yüzeyinde 115 N, yani Dünya'dakinin 1/6'sı, Merih'te (Mars) 0,4, Müşteri'de (Jüpiter) 2,7, Güneş'te 28 katı. Tipik bir nötron yıldızı üzerinde ise, Dünya'dakinin 1012 katı kuvvetle çekiliyor olacaktım; çünkü Güneş kadar büyük bir kütleye, nötron yıldızının ancak birkaç kilometre olan yarıçapı kadar yaklaşmış bulunacaktım. Yalnız, yaklaşırken başımla ayaklarım arasındaki çekim kuvveti farkı o kadar büyüyecek ki, daha yıldıza erişmeden çok önce, pişmaniye haline gelmiş olacaktım.
Bereket versin, Dünya'dan pek fazla ayrılmadıkça bu büyük kütlelerin çekimi ihmal edilecek kadar az. Örneğin, Ay beni şimdi ancak 0,0023 N, Güneş ise 0,41 N kadar çekebiliyor. Yine de bu küçük kuvvetler gel-git olaylarının başlıca nedeni.
Dikkat ederseniz, yerçekiminden söz ederken ağırlığa hiç başvurmadık. Çekim kuvveti ile statik ağırlık arasında önemli ve nazik bir ilişki var; ileride göreceğiz. Ağırlığa geçmeden önce son bir söz: Kütlesel çekim kuvveti de, cisimler arasındaki uzaklık aynı kaldığı sürece değişmeyen bir büyüklük. Yani 240 km yüksekte bulunduğum sürece, bana etki eden yerçekimi kuvveti daima 650 N olarak kalacaktı; ister orada duruyor olayım, ister dairesel bir yörüngede hareket ediyor olayım, hep 650 N ile çekiliyor olacaktım.