Galileo’nun Sarkaç Deneyi / En Az Bilinen Deneyi

Diğer birçok deney gibi Galileo’nun sarkaç deneyi de üzerinde epey çalıştığı deneyleri arasındadır. Galileo’nun yaşadığı dönemlerde cisimlerin hareketine ilişkin yaygın görüş Aristoteles fiziğinin söylediği görüştü. Buna göre Dünya üzerindeki ağır cisimler evrenin merkezine doğru yönelme eğilimindeydi. Evrenin merkezinde de Dünya olduğu için cisimler aslında Dünya’nın merkezine doğru düşüyor gözüküyordu.

Bir ipten sarkıtılan ağır bir cismin ileri geri doğru hareketi ise Aristoteles fiziğine göre açıklanamayan bir olguydu. Galileo da Pisa Üniversitesi’nde Aristoteles fiziği öğrenmişti. Fakat hızlı bir şekilde öğrendiği bu yaklaşımı sorgulamaya başladı.

Mantığın babası olarak görülen Aristoteles, dış dünyaya karşı niteliksel ve mantıksal bir açıklama ile yaklaşırken Galileo tam tersini yapmıştı. Parlak zekası ve fizik bilgisi nedeniyle fenomenlere niceliksel ve matematiksel olarak yaklaşımı benimsemişti. Galileo’nun sarkaç deneyi de bu yaklaşımının bir sonucudur. (Galileo’nun, Aristoteles Fiziği’ni tamamen çürüttüğü teleskop ile yaptığı gözlemleri anlattığımız bu yazımızı da okuyabilirsiniz.)

Galileo’nun Düşünce Deneyleri

Aristoteles’in görüşünü savunanlar ağır cisimlerin, aynı ortamda hafif cisimlerden daha hızlı düştüğünü savunuyorlardı. Daha gençlik yıllarında Galileo, hızdaki farklılığın cisimlerin ağırlığına değil, yoğunluğuna bağlı olduğuna inanıyordu.

Aristotelesçilerin inandığı bir başka olgu ise hava direncinin olmadığı durumda bir cismin sonsuza kadar yol almasıydı. Böylece hava boşluğunun(vakum) imkansız olduğunu düşünüyorlardı. Galileo ise hava boşluğunda bütün cisimlerin aynı hızla düşeceğini, bu hızın ise düşüş zamanıyla orantılı olduğu çıkarımını yapmıştı.

Bir Sarkaç

“Hareket” olgusuna matematiksel yaklaşımı sayesinde Galileo, asılı haldeki bir ağırlığın(sarkaç) ileri geri doğru hareketi üzerine kafa yormaya başladı. Bu harekete ilişkin görüşlerinin, henüz Pisa Üniversitesi’nde çalışmadan önceki tarihlere kadar dayandığı söyleniyor. Galileo’nun ilk biyografi yazarı Vincenzo Viviani, bu durumu şöyle açıklıyor:

Galileo öğrencilik yıllarındayken Pisa Katedrali’ni ziyaret etmişti. Orada katedralin duvarında bir sarkacın ileri geri doğru salınım yapmasını gözlemledi. Bundan çok etkilenmiş olmalı ki sarkaçlarla ilgili çalışmasına bu gözleminden sonra başladı.

Galileo’nun bu konu üzerine ilk notları 1588 yılına tarihleniyor. Fakat ciddi olarak çalışmaları 1602 yılından sonra başlayacaktı.

Ucunda ağırlık olan sarkaçlar ise ilginç bir problemi gün yüzüne çıkarıyordu: Hangi yükseklikten bırakılan sarkaç en yüksek hıza sahipti? Ağırlığın az ya da çok olması sarkacın salınım süresinde bir değişiklik yaratıyor muydu? Sarkacın uzunluğu ve süre arasındaki ilişki neydi? Deneysel çalışmaları sürerken bu sorular Galileo’nun aklından hiç çıkmıyordu. Öte yandan sarkaçların pratik alanda kullanılıp kullanılamayacağı muamması da mevcuttu.

Bu soruların hepsi, aşağıda göreceğimiz üzere Galileo’nun sarkaç deneyleri ile teker teker açıklanacaktı.

Galileo’nun Sarkaç Deneyi

Galileo, sarkaçları deneylerinde çok kapsamlı bir şekilde kullandı. Kariyerinin başlarında, yukarıda da söylendiği gibi sarkaçların hareketinin özellikleri üzerine kafa yormuştu. Sarkaçların hareketini etraflıca araştırdıktan sonra onları, sonraki deneylerinde zaman ölçüm aletleri olarak kullanacaktı.

Sarkaçlar Neredeyse Bırakıldığı Yüksekliğe Geri Dönüyor

Galileo, ağırlık takılı olan sarkaçların hemen hemen bırakıldığı yüksekliğe geri geldiğini gözlemlemişti. Bugün bu olgu kendisini “enerjinin korunumu” ilkesi olarak gösterir. İşin enteresan tarafı ise bu ilke Galileo’nun zamanında henüz keşfedilmemiş bir olguydu.

Deneyin bir parçası olarak, Galileo sarkaçları farklı yüksekliklerden bırakıyordu. Sarkacın geri döndüğü yükseklik not ediliyor ve bırakılmadan önceki yüksekliği ile karşılaştırılıyordu. Bu olguya ilişkin Galileo hiçbir sayısal ölçüm yapmamıştı. Fakat her denemesinde sarkacın geri geldiği yükseklik, ilk bırakıldığı yüksekliğine çok yakındı. Tahminlerine göre yükseklikler arasındaki fark 3 milimetreden fazla olamazdı.

Hafif Olanları Daha Çabuk Duran Sarkaçların Hepsi Önünde Sonunda Duruyordu.

Galileo daha hafif ağırlık takılı sarkaçların daha önce durduğuna dikkat çekiyordu. Bu gözlemi yapan Galileo özdeş maddeden olan fakat uçlarına farklı ağırlıklar takılan sarkaçları aynı anda ve aynı yükseklikten bırakmıştı. Sonuç hep aynıydı: Hafif olan sarkaçlar daha önce durma noktasına geliyordu.

Salınım Süresi Her Cisim İçin Aynıdır

Galileo’nun sarkaç deneyi şaşırtıcı sonuçlar vermeye devam ediyordu. Deneyinde, birisinin ucunda kurşundan yapılan, diğerinde ise mantardan yapılan sarkaçların salınımını ölçtü. Gözlemin sonucu olarak her iki sarkacın da bir salınım yapması için geçen sürenin aynı olduğunu fark etti. Günümüzde Galileo’nun deneyini tekrar edenler iki sarkaç arasındaki süre farklılığın sadece %0.1 olduğu sonucuna ulaşmıştır. Bu da Galileo’nun haklılığının bir göstergesi olarak görülebilir.

Salınım Süresi Genlikten(Gerilme) Bağımsızdır.

Galileo, “İki Yeni Bilim” kitabında sarkacın salınım süresinin gerilme miktarlarından farklı olduğunu iddia ediyordu. Uzmanlar ise Galileo’nun aslında, salınım süresinin tam olarak aynı olduğunu mu yoksa çok az farklılık gösterdiğini mi kastettiği üzerinde tartışıyorlar.

Günümüzde yapılan deneylerde ise özdeş iki kurşun ağırlıklı sarkaç aynı yükseklikten bırakılıyor. Birisi 5 derecelik bir açıyla bırakılırken diğeri ise 45 derecelik bir açıyla salınım yapıyor. Deneyin sonunda daha büyük açıyla bırakılan sarkacın süresi daha uzun oluyor. Her ne kadar fark az olsa da daha büyük genlikli sarkaçların salınım süresi daha uzun gerçekleşiyor.

Sarkaçlar ile ilgili deneylerine devam eden Galileo, birden fazla sarkacı kullanarak, çarpışmalarının sonucunu incelemek üzere gözlemler gerçekleştirdi. Fakat bu deneylerden pek bir sonuca ulaşamayan Galileo bir daha sarkaçların çarpışması üzerine deneyler yapmadı.

Galileo, bir sarkacın salınımı için geçen sürenin onun genliğinden(gerilme halinden) bağımsız olduğunu keşfettiğini söylemiştik. Sarkacın eşzamanlılığı ismini verdiği keşif, zaman ölçümü hususunda önemli bir yere sahip olacaktı.

1602 yılında arkadaşına, uzun sarkaçların eşzamanlılığını anlattığı bir mektup yazmıştı. Bir yıl sonra ise fizyolog olan diğer bir arkadaşı Santorio Santorio, hastalarının nabzını ölçmek için kısa sarkaç kullanmaya başladı. Sarkaç üzerine ciddi çalışmalar da bu dönemde yoğunlaşmıştır.

Sarkacın Kullanımı

Sarkaç, nabız ölçümünde zamanlama aracı olarak ya da müzik öğrencileri için bir metronom olarak kullanılabilir. Çünkü sarkacın her bir salınımı eşit zaman aralıklarında gerçekleşiyor. Sarkaç ayrıca saatleri geliştirmek için de kullanılabilir mi?

İtici gücü sağlamak için bir ağırlık kullanılan mekanik saatler, Orta Çağ döneminde çok eski olan su saatlerinin yerini almaya başlamıştı. Öte yandan devam eden geliştirmelerle birlikte sarkaç daha küçük ve güvenilir olma yolunda ilerliyordu. Fakat en iyi olduğu düşünülen saatlerin güvenilirliği o kadar düşüktü ki örneğin, astronomik amaçlar için kullanılması düşünülemezdi.

sarkacli-saat
17.yüzyıldan kalma sarkaçlı saat tasarımı

O dönemde kullanılan saatlerin zamanı ileri veya geri göstermesi bir yana, tam olarak ne zaman yanlış zamanı göstereceği bile tahmin edilemiyordu. Bir sarkaç, zamanı doğru ölçme konusunda saatin çalışma mekanizmasıyla ilişki kurulabilecek kadar kullanışlı olabilir miydi?

1641 yılında 77 yaşında, artık görme engelli olmuş Galileo dikkatini bu konu üzerine yoğunlaştırdı. Vincenzo Viviani gelişen olayları aşağıdaki gibi açıklıyor:

1641 yılı idi. Bir gün Arcetri’deki villasında O’nunla oturuyorduk. Sarkaçların saatlere monte edilebileceği fikrini benimle paylaştığını hatırlıyorum. Böylece sarkacın doğal ve değişmeyen hareketinin, saat tasarımındaki kusurların hepsini gidereceğini düşünmüştü. Fakat görme engeli nedeniyle, yaptığı çizimler ve modeller istediği etkiyi yaratmasını engelliyordu. Oğlu Vincenzio ise bir gün Florensa’dan Arcetri’ye gelmişti. Galileo, fikrini oğluyla paylaştı ve bir dizi tartışmaya tutuştular. Sonuç olarak bir tasarım üzerinde fikir birliğine varmışlardı fakat tasarımın gerçekleştirilmesi konusundaki zorluğunda farkındaydılar.

Viviani bu kısmı 1659 yılında, Galileo’nun ölümünden 18 yıl sonra yazdı. Ayrıca Christiaan Huygens’in sarkaçlı saati tanıttığı Horologium adlı eseri de Viviani’nin biyografisinden 2 yıl önce yazılmıştı. Huygens’in sarkaçlı saat tasarımı ise tarihte ilk sarkaçlı saat örneği olarak bilinir. Galileo ise kafasındaki sarkaçlı saat tasarımı düşüncesini gerçekleştiremeden hayata gözlerini yummuştur.

Galileo’nun evren görüşü ve çalışmaları hakkında daha fazla bilgi için şu yazımızı okuyabilirsiniz.

Kaynak: The Galileo Project

Leave a Reply