AYT kütle çekim kuvveti, uydular ve Kepler kanunları konu anlatımı kapsamında evrensel çekim yasası, yer çekimi ivmesinin konuma göre değişimi, çekim potansiyel enerjisi, yapay uyduların hızı, periyodu ve enerjisi ile Kepler’in üç kanunu işlenecektir.
AYT fizik konularının tamamına AYT konu anlatımı arşivinden ulaşabilirsiniz.
Evrensel Kütle Çekim Yasası
Kütle Çekim Kuvvetinin Büyüklüğü
Kütlesi bulunan her iki cisim birbirini çeker. Noktasal kabul edilen m1 ve m2 kütlelerinin merkezleri arasındaki uzaklık r ise çekim kuvvetinin büyüklüğü F = Gm1m2/r² bağıntısıyla hesaplanır. G evrensel çekim sabitidir; değeri yaklaşık 6,67 × 10−11 N·m²/kg²’dir.
Küresel ve homojen cisimler, birbirlerinin dışında kalan noktalar bakımından bütün kütleleri merkezlerinde toplanmış gibi modellenebilir. Bu nedenle iki gezegen arasındaki r uzaklığı yüzeyler arasında değil, merkezler arasında ölçülür. Kuvvet, kütlelerin çarpımıyla doğru; merkezler arası uzaklığın karesiyle ters orantılıdır.
Kuvvetin Yönü ve Etki–Tepki Çifti
Çekim kuvveti, iki cismin merkezlerini birleştiren doğru üzerindedir ve her cisim için diğer cisme yönelir. m1‘in m2‘ye uyguladığı kuvvet ile m2‘nin m1‘e uyguladığı kuvvet eşit büyüklükte ve zıt yönlüdür. Bu kuvvetler farklı cisimlere etki ettiği için birbirini yok etmez; Newton’un üçüncü yasasına göre etki–tepki çiftidir.
Kütlelerden biri çok büyük olsa da kuvvetlerin büyüklükleri eşittir. Farklı olan ivmelerdir. F = ma gereğince küçük kütleli cisim daha büyük, büyük kütleli cisim daha küçük ivme kazanır. Yalıtılmış iki cisim ortak kütle merkezlerine doğru hareket eder.
B) FK = FL, aK/aL = ΔvK/ΔvL = 5/2
C) FK = FL, aK/aL = 2/5
D) FK > FL, ΔvK = ΔvL
E) FK/FL = 2/5, aK/aL = 5/2
Çekim Kuvvetinin Değişkenlere Bağlılığı
F = Gm1m2/r² bağıntısında kütlelerden biri iki katına çıkarılırsa kuvvet iki katına; iki kütle de iki katına çıkarılırsa dört katına çıkar. Uzaklık iki katına çıktığında kuvvet başlangıç değerinin dörtte birine iner. Oran sorularında G sabit olduğundan doğrudan F2/F1 = (m1,2m2,2/m1,1m2,1)(r1/r2)² kullanılabilir.
Bir cismin parçalanması toplam kütleyi değiştirmese de parçaların konumları değişirse diğer cisme uygulanan bileşke kuvvet değişebilir. Çünkü her parçanın uzaklığı ve kuvvet yönü ayrı hesaplanır. Parçalar aynı noktada kabul edilebiliyorsa toplam kütle kullanılabilir.
B) 2F
C) 3F
D) 4F
E) 6F
Birden Çok Kütlenin Bileşke Çekim Kuvveti
Bir cisme birden fazla kütle çekim kuvveti uyguluyorsa her kuvvet kaynak kütleye doğru ayrı bir vektör olarak çizilir. Aynı doğrultudaki kuvvetler işaretli olarak, farklı doğrultudakiler bileşenlerine ayrılarak toplanır. Simetrik yerleşimlerde eşit kuvvetlerin bazı bileşenleri birbirini götürebilir.
Bir noktada net çekim kuvvetinin sıfır olması, o noktada hiçbir çekim etkisi bulunmadığı anlamına gelmez. Ayrı kaynakların oluşturduğu kuvvetler vektörel olarak birbirini dengelemiştir. İki kütle arasındaki sıfır kuvvet noktası, kütlesi küçük olan cisme daha yakındır.
B) 2M kütlesine doğru, 2F0
C) Karenin merkezine doğru, 2F0
D) Köşegen doğrultusunda, (√2 + 1)F0
E) Bir kenara paralel, 3F0/2
Yer Çekimi İvmesi
Gezegen Yüzeyinde Çekim İvmesi
M kütleli, R yarıçaplı küresel bir gezegenin yüzeyindeki m kütleli cisme uyguladığı kuvvet GMm/R²’dir. Bu kuvvet mg ağırlığına eşitlenirse g = GM/R² elde edilir. Çekim ivmesi test cisminin kütlesine bağlı değildir; gezegenin kütlesiyle doğru, yarıçapının karesiyle ters orantılıdır.
Gezegenler eş yoğunlukluysa M = ρ(4πR³/3) olduğundan yüzey çekim ivmesi g = 4πGρR/3 biçimine dönüşür. Bu özel durumda g yarıçapla doğru orantılıdır. Yalnız “kütle büyükse g büyüktür” yargısı yarıçap etkisini dışladığı için genel olarak doğru değildir.
Yükseklikle Değişim
Gezegen yüzeyinden h yükseklikte merkeze uzaklık R + h olur. Bu noktadaki çekim ivmesi gh = GM/(R + h)² ve yüzey değerine oranı gh/g0 = [R/(R + h)]² biçimindedir. Yükseklik arttıkça g azalır, fakat sonlu bir uzaklıkta sıfır olmaz.
h değeri yüzeyden, r değeri merkezden ölçülür. Bu iki uzaklığın karıştırılması sık yapılan bir hatadır. Örneğin yüzeyden R yükseklik, merkezden 2R uzaklığa karşılık gelir ve çekim ivmesi g0/4 olur.
B) 2R/3
C) R
D) 3R/2
E) 2R
Derinlikle ve Gezegen İçinde Değişim
Türdeş küresel bir gezegenin içinde, merkezden r uzaklıktaki cisme yalnız r yarıçaplı kürenin içindeki kütle net çekim etkisi yapar; dıştaki küresel katmanların bileşke etkisi sıfırdır. İçeride kalan kütle Mr = M(r³/R³) olduğundan g(r) = GMr/r² = g0r/R elde edilir.
Yüzeyden d derinlikte r = R − d olduğundan gd = g0(1 − d/R) olur. Türdeşlik varsayımı altında çekim ivmesi merkezde sıfır, yüzeyde en büyük; gezegenin dışında ise 1/r² ile azalan değerdedir. Gerçek gezegenlerde yoğunluk sabit olmadığı için iç bölgedeki değişim tam doğrusal olmayabilir; AYT modellerinde aksi belirtilmedikçe türdeş küre kabulü kullanılır.
Çekim Potansiyel Enerjisi
Sıfır Referansı ve Negatif Enerji
İki kütle arasındaki çekim potansiyel enerjisinin sıfırı, kütleler birbirinden sonsuz uzaktayken seçilir. Aralarındaki uzaklık r olduğunda U = −GMm/r olur. Negatif işaret, bağlı sistemin enerjisinin sonsuzdaki sıfır düzeyinden düşük olduğunu gösterir.
Kütleler birbirine yaklaşırken r azalır, U daha negatif olur ve çekim kuvveti pozitif iş yapar. Kütleleri birbirinden uzaklaştırmak için dışarıdan enerji vermek gerekir; bu sırada U artarak sıfıra yaklaşır. Potansiyel enerji skaler olduğu için birden çok kaynak varsa ayrı enerji değerleri cebirsel olarak toplanır.
B) 3/2
C) 2
D) 3
E) 5
Kuvvet, İş ve Enerji Grafikleri
Merkezden dışarı doğru r ekseni pozitif seçilirse çekim kuvvetinin radyal bileşeni Fr = −GMm/r² olur. Potansiyel enerji ile kuvvet arasındaki ilişki Fr = −dU/dr biçimindedir. U-r grafiğinin eğimi pozitif olduğundan kuvvet negatiftir, yani merkeze yönelir.
Bir cisim r1‘den r2‘ye taşınırken çekim kuvvetinin yaptığı iş Wçekim = U(r1) − U(r2) olur. F-r grafiğinde eğrinin altında kalan işaretli alan aynı işi verir. Çekim alanına zıt yönde yavaşça taşıyan dış kuvvetin işi ise ΔU’dur.
Yapay Uyduların Hareketi
Dairesel Yörüngede Merkezcil Kuvvet
M kütleli gezegenin çevresinde r yarıçaplı dairesel yörüngede dolanan m kütleli uyduya gerekli merkezcil kuvveti çekim kuvveti sağlar. GMm/r² = mv²/r eşitliğinde uydu kütlesi sadeleşir. Çekim kuvveti ve merkezcil ivme her anda gezegen merkezine, hız vektörü yörüngeye teğettir.
“Merkezcil kuvvet” çekim kuvvetine ek yeni bir kuvvet değildir; net kuvvetin merkeze doğru bileşenine verilen addır. İdeal dairesel yörüngede çekim kuvveti hıza dik olduğundan uydu üzerinde iş yapmaz; süratin büyüklüğü ve kinetik enerji sabit kalırken hızın yönü sürekli değişir.
B) v, F ve a merkeze doğru
C) v merkeze, F teğet, a dışarı doğru
D) v teğet, F dışarı, a merkeze doğru
E) v dışarı, F ve a teğet
Yörünge Hızı
Çekim kuvveti merkezcil kuvvete eşitlendiğinde dairesel yörünge hızı v = √(GM/r) bulunur. Aynı gezegen çevresinde yörünge yarıçapı büyüdükçe uydu hızı azalır. Hız, ideal modelde uydu kütlesine bağlı değildir.
Yüzeyin hemen üstünde dolanan uydu için r ≈ R ve g = GM/R² olduğundan v = √(gR) yazılabilir. Yörünge yarıçapı yüzeyden yükseklik değil, gezegen merkezinden uzaklıktır.
Yörünge Periyodu
Bir tam tur süresi T = 2πr/v bağıntısında yörünge hızı yerine √(GM/r) yazılırsa T = 2π√(r³/GM) elde edilir. Aynı merkezî cisim çevresindeki dairesel yörüngeler için T²/r³ = 4π²/(GM) sabittir.
Yörünge yarıçapı arttıkça uydunun yolu uzar ve sürati azalır; iki etki de periyodu büyütür. Uydu kütlesi periyodu değiştirmez. Eş merkezli iki yörüngede periyot oranı T2/T1 = (r2/r1)3/2 biçimindedir.
B) 3r
C) 4r
D) 6r
E) 8r
Yörüngede Ağırlıksızlık
Uydudaki astronot da uyduyla birlikte gezegene doğru sürekli serbest düşme hâlindedir. Yer çekimi kuvveti ortadan kalkmamıştır; uyduyu yörüngede tutan kuvvet yine çekimdir. Astronota temas kuvveti uygulayan bir zemin bulunmadığı için ölçülen görünür ağırlık, yani normal kuvvet sıfırdır.
Ağırlıksızlık “g = 0” anlamına gelmez. Dairesel yörüngede g(r) = GM/r² değerindedir ve merkezcil ivmeyi sağlar. Bir tartı uyduya sabitlenmiş olsa bile tartı ve astronot aynı ivmeyle düştüğünden tartı sıfır gösterir.
B) Cisme yalnız eylemsizlik kuvveti etki eder.
C) Astronotun kütlesi yörüngede sıfır olur.
D) Cisim ve istasyon yaklaşık aynı çekim ivmesiyle serbest düşer.
E) Cismin Dünya’ya göre hızı sıfırdır.
Uydu Enerjisi ve Yörünge Değişimi
Dairesel Yörüngede Kinetik, Potansiyel ve Mekanik Enerji
Dairesel yörüngede v² = GM/r olduğundan uydunun kinetik enerjisi K = GMm/(2r) olur. Çekim potansiyel enerjisi U = −GMm/r, toplam mekanik enerji ise E = K + U = −GMm/(2r) biçimindedir.
Böylece dairesel yörüngede U = −2K ve E = −K = U/2 ilişkileri geçerlidir. Mekanik enerjinin negatif olması uydunun gezegene kütle çekimiyle bağlı olduğunu gösterir. Yörünge yarıçapı büyüdükçe K azalır, U ve E ise artarak sıfıra yaklaşır.
B) K = 4E, Em = −8E
C) K = 6E, Em = 6E
D) K = 12E, Em = 0
E) K = 6E, Em = −6E
Yörünge Yükseltme ve Alçaltma
Bir uyduyu daha büyük yarıçaplı dairesel yörüngeye taşımak için sisteme enerji verilmelidir. Yeni yörüngede toplam mekanik enerji daha büyük, yani daha az negatiftir; potansiyel enerji artar, dairesel yörünge sürati ve kinetik enerji azalır. Geçiş sırasında uygulanan itkiyle hızın geçici olarak artırılması, son dairesel yörünge hızının daha küçük olmasıyla çelişmez.
Daha küçük yarıçaplı dairesel yörüngede ise uydu daha hızlı dolanır; kinetik enerjisi daha büyük, potansiyel ve mekanik enerjisi daha küçüktür. Yörünge değişimlerinde başlangıç ve son durumların dairesel olduğu açıkça belirtilmedikçe yalnız v = √(GM/r) bağıntısıyla ara hareket yorumlanamaz.
Bağlanma Enerjisi, Kurtulma Enerjisi ve Kurtulma Hızı
Dairesel yörüngedeki uydunun mekanik enerjisini sıfıra çıkararak sonsuza sıfır hızla ulaştırmak için verilmesi gereken en az enerji bağlanma enerjisidir. Büyüklüğü Eb = GMm/(2r), yani başlangıç mekanik enerjisinin mutlak değeridir.
Gezegen yüzeyinde başlangıçta durgun m kütleli cismi sonsuza sıfır hızla götürmek için gereken en az enerji Ekurtulma = GMm/R olur. Cisim bu enerjiyi başlangıç kinetik enerjisi olarak alırsa mvk²/2 = GMm/R ve vk = √(2GM/R) = √(2gR) elde edilir. Kurtulma hızı fırlatılan cismin kütlesine bağlı değildir.
B) E/2
C) E
D) 3E/2
E) 2E
Kepler Kanunları
Birinci Kanun: Eliptik Yörüngeler
Gezegenler, Güneş’in odaklardan birinde bulunduğu eliptik yörüngelerde dolanır. Güneş elipsin merkezinde olmak zorunda değildir. Gezegenin Güneş’e en yakın konumu günberi, en uzak konumu günöte olarak adlandırılır.
Eliptik yörüngede gezegen–Güneş uzaklığı değiştiği için çekim kuvvetinin büyüklüğü ve gezegenin sürati sabit değildir. Günberide uzaklık daha küçük olduğundan çekim kuvveti ve ivme daha büyük; günötede daha küçüktür. Hız her noktada yörüngeye teğettir, fakat kuvvet Güneş’e yönelir.
B) vK > vL, FK = FL, LK = LL
C) vK > vL, FK > FL, LK = LL
D) vK < vL, FK > FL, LK = LL
E) vK > vL, FK < FL, LK < LL
İkinci Kanun: Eşit Zamanlarda Eşit Alanlar
Gezegeni Güneş’e birleştiren yarıçap vektörü eşit zaman aralıklarında eşit alanlar tarar. Bir kısa zaman aralığında taranan alan yaklaşık ΔA = rvdikΔt/2 olduğundan alan tarama hızı dA/dt = L/(2m) ile ilişkilidir. Çekim kuvveti merkezî olduğu için Güneş’e göre tork sıfırdır; açısal momentum ve alan tarama hızı sabit kalır.
Gezegen günberiye yaklaşırken r azalır ve açısal momentum korunacağı için teğetsel hız artar. Günötede r büyük, hız küçüktür. Eşit yay uzunluklarının alınma süreleri eşit olmak zorunda değildir; yasa eşit zamanlarda taranan alanların eşitliğini belirtir.
B) tMN = 2tKL, vMN = vKL
C) tMN = tKL/2, vMN < vKL
D) tMN = 2tKL, vMN < vKL
E) tMN = 4tKL, vMN > vKL
Üçüncü Kanun: Periyotlar Kanunu
Aynı yıldız çevresinde dolanan gezegenler için yörünge periyodunun karesi, elipsin büyük yarı ekseninin küpüyle orantılıdır: T²/a³ = 4π²/(GM). Dairesel yörüngede büyük yarı eksen a, yörünge yarıçapı r’ye eşittir.
Farklı merkezî cisimler için sabit aynı değildir; sağ tarafta merkezî cismin kütlesi M bulunur. Uydu veya gezegen kütlesi M’ye göre ihmal edilemeyecek kadar büyükse daha genel iki-cisimli ifade T² = 4π²a³/[G(M + m)] olur; AYT sorularında çoğunlukla m ≪ M kabul edilir.
Önceki Konu: Dönme Hareketi, Eylemsizlik Momenti ve Açısal Momentum
Sonraki Konu: Basit Harmonik Hareket




















