Serbest cisim diyagramı, cisimler üzerine uygulanan kuvvetleri oklarla gösterdiğimiz kaba bir çizimdir. Genellikle nesnelerin dengede veya hareket halinde olduğu durumları analiz etmek için kullanılır. Özellikle kuvvetlerin ve momentlerin denge durumunu anlamak için faydalıdır.
- Nesneyi Seçin: İlk adım, analiz yapmak istediğiniz nesneyi belirlemektir. Bu nesne bir kutu, bir tahta parçası, arabayı çeken halat, veya su içinde asılı kalan bir cisim olabilir.
- Kuvvetleri Tanımlayın: Nesnenin üzerine etki eden tüm kuvvetleri tanımlayın. Kuvvetler oklarla temsil edilir, ve her okun uzunluğu kuvvetin büyüklüğünü gösterir. Kuvvetin yönü de okun yönü ile belirtilir.
- Bu kuvvetleri belirlediğiniz bir koordinat düzleminde çizin.
Uyarı:
“Dikkat edilmesi gereken bir konu, kuvvet diyagramları, özellikle merkezcil kuvvet içeren sorularda, merkezcil kuvveti ve ona sebep olan etmenleri (örneğin ip gerilmesi, sürtünme kuvveti gibi) iki kez göstermemek gerekliliğidir.
Örnek serbest cisim diyagram 1:
Örnekte viraj almaya çalışan bir araba görüyoruz. Burada \(F_m \) merkezil kuvveti, G ağırlığı ve N tepki kuvveti gösterilmektedir. Merkezcil kuvvet her zaman dönüş yapılan dairenin merkezine yani içe doğru olmak zorundadır. Hiç bir zaman dışarı çizilmez ve “merkezkaç” denen bir kuvvet gösterilmez. Burada \(F_m \) merkezcil kuvveti sürtünme kuvveti veya bir ip gerilmesi olabilir. Eğer \(F_m \) sürtünme kuvveti dolayısıyla oluşuyorsa \(F_m \) yerine \(F_s \) yazılabilirdi. Ama ikisi birlikte yazılmamalıdır. Çünkü \(F_m \)’nin kaynağı \(F_s \)’dir.
Örnek serbest cisim diyagram 2:
Eğik düzlem üzerine ip ve sürtünme olan üst üste iki cisim düşünelim. Bunların serbest cisim diyagramlarını ayrı ayrı gösterelim.
(a) görselinde üstteki kutunun serbest cisim diyagramı gösterilmektedir. Burada dikkat edilecek husus B yüzünden A’ya uygulanan sürtünme kuvvetinin ip gerilmesine ters gösterilmesidir. Fakat (b) görselinde göreceğiniz gibi B cismine hem eğik düzlem tarafından hem de A cismi yüzünden uygulanan sürtünme kuvvetleri ayrı ayrı vektörler olarak gösterilir. Aynı zamanda A’nın B’ye uyguladığı tepki kuvveti de gösterilmelidir.
Örnek serbest cisim diyagram 3:
Sıvı içinde gergin bir ipe bağlı cisme 3 farklı kuvvet uygulanır. Bunlardan ilki ip gerilmesi ve yukarı doğrudur. İkincisi kaldırma kuvvetidir bu da ip gerilmesi ile aynı yönde yukarı doğrudur. Ağırlık ise her zamanki gibi aşağı doğru olmalıdır. Eğer ip kabın tabanından cisme bağlı olsaydı ve gerginliği sıfır olsaydı bu sefer ağırlık ve ip gerilmesi aşağı, kaldırma kuvveti ise yukarı olurdu.
