2. Kuvvet Vektörleri

VEKTÖRLER
1
Mekanik olayları ölçmekte ya da değerlendirmekte
kullanılan matematiksel büyüklükler:
• Skaler büyüklük: sadece bir sayısal değeri
tanımlamakta kullanılır, pozitif veya negatif
olabilir. Kütle, hacim ve uzunluk statikte sıkça
kullanılan skalerlerdir.
• Vektörel büyüklük: Şiddet, doğrultu ve yön ile
belirtilen fiziksel bir büyüklüktür. Kuvvet,
moment, konum vektörel birer büyüklüktür.
2
• Örneğin bir noktaya etkiyen kuvvet, vektörel bir
büyüklüktür. Bu kuvvet; uygulama noktası, şiddeti,
doğrultusu ve yönü ile tanımlanır.
yön
A
AB
Uygulama
noktası
B
Kuvvetin
doğrultusu
(tesir çizgisi)
• Vektörler harfin üzerine kısa bir ok çizilerek gösterilir.
• Bu şekilde gösterilen vektörün şiddeti (büyüklüğü) “AB”
ile ifade edilir.
3
Vektörel İşlemler
• Vektörün bir skalerle çarpımı veya bölümü
• bir vektörün bir skalerle çarpımı veya bölümü, yine aynı
vektör doğrultusunda yeni bir vektör verir. Bu vektörün
şiddeti, skaler ile mevcut vektörün şiddetinin çarpımına
eşittir

A

A

B

2B

 0.5 B
4
Vektörlerin Toplamı
• Paralelkenar ilkesi ile:
OC  OA  OB
A
C
OA
OC
O
OB
B
5
Vektörlerin Toplamı
• A ve B vektörlerini paralelkenar ilkesinin özel bir
uygulaması olan “üçgen ilkesi”ne göre de toplayabiliriz.
• A vektörünün ucuna B vektörü eklenir, A’nın başlangıcı
ile B’nin ucu birleştirilir ve R bileşke vektör elde edilir.
Vektör toplamı komutatif’tir,
vektörler herhangi bir
sırada toplanabilir.
    
R  A B  B  A
6
Vektörlerin Toplamı
• A ve B vektörü aynı etki çizgisine sahipse
paralelkenar kuralı cebirsel (skaler)
toplama indirgenir.
• R= A+B (şiddetlerin toplamı)
7
Vektör Çıkarması
•
A ve B vektörlerinin çıkarılması için paralelkenar veya üçgen kuralı
kullanılabilir. A ve B vektörleri arasındaki fark bileşke vektörü:
  

R  A  B  A  (  B )
•
Vektör toplamı için uygulanan kurallar vektör çıkarması için de
kullanılmaktadır.
8
Kuvvetlerin Vektörel Toplamı
• Kuvvetler, belli bir büyüklük, doğrultu ve yöne
sahiptir ve vektörel bir büyüklük olduğu için
paralelkenar kuralına göre toplanır.
• Statikteki iki genel problem:
– Bileşenlerden bileşke kuvvet bulmak
– Bilinen bir kuvveti bileşenlerine ayırmak
9
Bir kuvvetin bileşenlerine ayrılması
• Bir noktaya etkiyen bir tek vektör yerine aynı etkiyi
yapacak iki veya daha fazla vektör koymak
mümkündür.Bunlara vektörün bileşenleri denir. Bu
bileşenleri bulabilmek için:
– İki bileşenden düzlemde biri, uzayda ise üç bileşenden ikisi
bilinmelidir.
– Bileşenlerin tesir çizgileri bilinmelidir.
10
İkiden fazla kuvvetin toplanması
• İkiden fazla kuvvet toplanacaksa, bileşke kuvveti bulmak
için paralelkenar kuralı birden fazla uygulanabilir.

 

FR  ( F1  F2 )  F3
11
Analizde izlenecek yol
• Paralelkenar kuralı
• Trigonometri
12
Örnek 1
• F1 ve F2 kuvvetlerinin
bileşkesini ve yönünü
bulunuz.
• Çözüm:
13
Örnek 1
• Kosinüs teoremi’nden:
• Sinüs teoreminden:
14
Örnek 2
•
200 N
200 N
Bu iki kuvvetin bileşkesinin y
ekseni üzerinde olması için F
kuvvetinin şiddetini bulunuz.

F
200 N

Sin60 Sin 45

F  245 N

FR
200 N

Sin75 Sin 45

FR  273 N
200 N
15
ödev
• Ödev1: 600N’luk kuvveti
u ve v eksenlerinde
bileşenlerine ayırınız.
600 N
• Ödev2: F2 kuvvetinin
şiddetini, yönünü ve bileşke
kuvveti bulunuz. (bileşke
kuvvet x ekseni üzerinde, F2
kuvveti ise minimum şiddette
olsun)
16
Düzlemsel kuvvetlerin toplanması
(Kartezyen Koordinatlar)
• Eğer bir kuvvet x ve y eksenlerindeki bileşenlerine
ayrılırsa, bu bileşenlere “kartezyen bileşenler” denir.
• x ve y eksenleri pozitif ve negatif yönler belirttiklerinden,
bir kuvvetin dik bileşenlerinin büyüklüğü ve yönü cebirsel
skalerlerle ifade edilebilir.
Skaler gösterim:
Fx  F . cos 
Fy  F . sin 
17
• F vektörünün yönü,  açısı yerine küçük eğim üçgeni ile de
gösterilebilir.
a
Fx  F ( ) veya
c
b
Fy  F ( ) veya
c
Fx a

F c
Fy b

F c
• Fy vektörünün yönü negatif y ekseninde olduğundan y
bileşeni negatiftir, bu nedenle hesaplamalarda (-) işareti
kullanılmalıdır.
18
Kartezyen vektör gösterimi
• Bir kuvvetin bileşenleri,
kartezyen birim vektörler
cinsinden ifade edilebilir.
x ve y eksenlerinin
doğrultularını belirtmek
için sırasıyla i ve j
kartezyen birim vektörleri
kullanılır. Bu vektörler,
boyutsuz birim
uzunluktadır ve yönleri
(ok ucu), pozitif veya
negatif x ve y eksenini
işaret etmesine bağlı
olarak, artı veya eksi
işareti ile gösterilir.

F  Fx iˆ  Fy ˆj
19
Aynı düzlemdeki kuvvetlerin bileşkeleri
• Bir kuvvetin bileşenlerini göstermede kullanılan iki
yöntem de çok sayıda düzlemsel kuvvetin bileşkesini
belirlemek için de kullanılabilir. Bunun için, her bir kuvvet
önce x ve y bileşenlerine ayrılır ve sonra karşılıklı
bileşenler aynı doğru üzerinde bulunduklarından skaler
cebir kullanılarak toplanır.

F1  F1x iˆ  F1 y ˆj

F2   F2 x iˆ  F2 y ˆj

F3  F3 x iˆ  F3 y ˆj
20
Aynı düzlemdeki kuvvetlerin bileşkeleri

  
FR  F1  F2  F3
VEKTÖREL TOPLAM
SKALER TOPLAM
21
İkiden fazla kuvvetin toplanması
FRx   Fx
FRy   Fy
• Herhangi bir sayıda düzlemsel kuvvetin
bileşkesinin x ve y bileşenleri, bütün
kuvvetlerin x ve y bileşenlerinin cebirsel
toplamıyla bulunabilir.
22

 
F Rx 
Fx
F Ry
Fy
• Bileşkenin bileşenleri belirlendikten sonra,
şekildeki gibi, x ve y eksenleri boyunca çizilebilir.
Bileşke kuvvet vektör toplamından belirlenebilir.
Bileşkenin büyüklüğü ve yönü ise şu şekilde
bulunabilir.
23
Örnek 3:
• Şekilde gösterilen
kuvvetlerin bileşkesini
birim vektörleri
kullanarak bulunuz
24
Örnek 3:
25
Ödev 3-4
• Etkiyen kuvvetlerin
bileşkesinin y ekseni
boyunca olması ve
şiddetinin de 800 N
olması için F1 kuvvetinin
şiddetini,  açısının ne
olması gerektiğini
bulunuz
• Şekilde gösterilen
kuvvetlerin bileşkesini
birim vektörleri
kullanarak bulunuz
26
Kartezyen Vektörler
• Vektör işlemleri, üç boyutlu problemlerin
çözümüne uygulanırken vektörler kartezyen
vektör formunda ifade edilirse işlem basitleşir.
• Sağ El Koordinat Sistemi:
– Vektör cebri işlemlerinde
sağ el koordinat sistemi
kullanılacaktır.
27
Bir vektörün kartezyen bileşenleri
• Bir A vektörünün x, y, z koordinat
eksenlerinde bileşenleri olabilir.
Paralelkenar kuralını iki kez ard
arda uygulayarak;
  
A  A  Az
 

A  Ax  Ay
 


A  Ax  Ay  Az
28
Kartezyen birim vektörler
• Üç boyutlu uzayda, i, j, k kartezyen birim
vektörleri sırasıyla x, y, z eksenlerinin
doğrultusunu göstermek için kullanılır. Şekilde
verilen vektörler, pozitif birim vektörlerdir.
29
Kartezyen vektör gösterimi
• Vektörleri kartezyen
bileşenler cinsinden
yazmak önemli bir
avantaj sağlar. Her bir
bileşen vektörün şiddeti
ve yönünü belirtir.

A  Ax iˆ  Ay ˆj  Az kˆ
30
Kartezyen vektörün büyüklüğü
• Kartezyen vektör
formunda ifade edilen bir
A vektörünün şiddetini
bulmak için:
A  A'  Az
2
2
A'  Ax  Ay
2
2
31
Kartezyen vektörün yönleri
• A vektörünün doğrultusu,
A’nın başlangıç noktası ve bu
noktada yer alan pozitif x, y, z
eksenleri arasında ölçülen
(alfa), (beta), (gama)
doğrultu açıları ile tanımlanır.
Bu açılar 0 ile 180
arasındadır.
• ,  ve ’yı belirlemek için
A’nın x, y, z eksenleri
üzerindeki izdüşümleri
kullanılır.
32
Yön kosinüsleri
33
• A vektörünün doğrultu kosinüslerini elde etmenin kolay
bir yolu, A doğrultusunda bir birim vektör oluşturmaktır.
uA’nın büyüklüğü 1 olduğundan;
** Eğer bir vektörün
şiddeti ve yön
kosinüsleri biliniyorsa,
A vektörü kartezyen
koordinatlarda ifade
edilebilir.
34
Kartezyen vektörlerin toplanması
35
Örnek 4
F kuvvetini kartezyen vektör
olarak ifade ediniz.
Fx (+x) yönünde
olduğu için  60°
olmalı
36
Ödev 5
• F kuvvetini
kartezyen vektör
olarak ifade ediniz
ve F kuvvetinin yön
kosinüslerini
bulunuz
37
Konum Vektörleri
• Konum vektörü uzaydaki herhangi iki nokta arasında
yönelen bir kartezyen kuvvet vektörünü formüle etmek
açısından önemlidir.
• r konum vektörü, bir noktanın uzaydaki konumunu diğer
bir noktaya göre belirleyen sabit bir vektördür.
38
• Daha genel bir halde, konum vektörü uzaydaki A
noktasından B noktasına da yönelebilir.
Vektör toplamı
39
• r konum vektörü, i, j, k bileşenleri, vektörün
başlangıcının koordinatları A (xA, yA, zA), ucuna
karşı gelen koordinatlardan B (xB, yB, zB)
çıkartılarak bulunabilir.
• Ayrıca, bu üç
bileşenin
uç
uca eklenmesi
r’yi verir. A’dan
başlıyarak B’ye
ulaşılıyor.
40
41
Bir doğru boyunca yönelen kuvvet vektörü
• Üç boyutlu statik
problemlerinde, bir
kuvvetin doğrultusu
genellikle etki
çizgisinin geçtiği iki
nokta ile belirlenir.
Şekildeki F kuvveti
buna bir örnektir.
Doğrultusu A’dan B’ye
olan F kuvveti
kartezyen vektör
şeklinde ifade
edilebilir.
42
Bir doğru boyunca yönelen veya iki nokta arasında uzanan
kuvvet vektörü
43
Örnek 5
• Şekilde gösterilen
çatı, AB ve AC
zincirleriyle
taşınmaktadır. A
noktasına etki eden
bileşke kuvveti
kartezyen vektör
olarak ifade edin.
44
45
Ödev 6
• A noktasına etki eden
kuvveti kartezyen
vektör olarak ifade
edin.
46