Hız, bir yerden diğerine ne kadar çabuk ulaşabileceğinizi söyleyen kullanışlı bir ölçümdür. Bir arabanın en yüksek hızı, genellikle ne kadar güçlü bir motora sahip olduğunun iyi bir göstergesidir, ancak herkesin hız sınırı içinde kaldığını varsayarsak, maksimum hızlar yalnızca kağıt üzerindeki sayılardır. Çünkü kimseye çok az veya hiç olmamasının bir faydası olmadığı gibi hızlı olmanın da bir faydası yoktur.
Hızlanma, hızdan çok daha ilginç ve direksiyon başında tehlikeden kurtulmanız gerekiyorsa daha kullanışlıdır: bir şeyin ne kadar çabuk hızlanıp yavaşlayabileceğidir. İvmeyi ölçmek, hızı ölçmekten biraz daha zordur çünkü hızın belirli bir süre içinde nasıl değiştiğini bulmayı içerir . Hızlanmayı nasıl ölçersiniz? Şaşırtıcı olmayan bir şekilde, ivmeölçer adı verilen bir cihazla . Bir zamanlar bunun gibi araçları yalnızca uzay roketlerinde veya jumbo jetlerde bulurdunuz; şimdi hemen hemen her arabada, birçok dizüstü bilgisayarda ve iPod’lar, iPhone’lar ve Nintendo Wii gibi her türlü cihazdalar. Ne olduklarına, ne yaptıklarına ve nasıl çalıştıklarına daha yakından bakalım!
İvmeölçerler Ne İçin Kullanılır?
İvmeölçerler, kelimenin tam anlamıyla roket biliminin malzemesidir. Uzay aracına monte edildiğinde, yalnızca roket hızındaki değişiklikleri değil, aynı zamanda apojeyi de (bir araç Dünya’dan veya başka bir kütleden maksimum uzaklıktayken, dolayısıyla yerçekimi ivmesi minimumdayken) ve oryantasyonu ölçmek için kullanışlı bir yoldur. Çünkü bir şeyi eğmek, yerçekiminin ona etki etme şeklini ve hissettiği kuvveti değiştirir. İvmeölçerler ayrıca uçak ve gemi otopilotları gibi ataletsel navigasyon ve rehberlik sistemlerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Ulaşımda çok yaygın olarak kullanılan bir başka kullanım da otomobil hava yastıklarıdır. Bir ivmeölçer, bir otomobilin hızında ani bir değişiklik algıladığında, yaklaşan bir çarpışma sinyalini verdiğinde, hava yastıklarının şişmesini sağlayan bir elektrik devresini tetikler.
Modern bir cep telefonu , MP3 çalar veya elde taşınır oyun konsolu olanlarda bilsin ya da bilmesin muhtemelen bir ivmeölçer kullanır. Çünkü böylece onu bir yandan diğer yana eğdiğinizde bunu algılayabilir. Bir iPhone veya iPod Touch, ekran düzenini dikeyden yataya ne zaman değiştireceğini otomatik olarak bu şekilde bulur. iPhone’lar gibi cihazlar için tasarlanmış birçok oyun ve “uygulama”, içindeki küçük ivmeölçer çiplerini kullanarak ne kadar sert veya ne kadar hızlı hareket ettiğinizi veya kasayı salladığınızı algılayarak çalışır.
İvmeölçerlerin kullanıldığı bazı alanlar ise oldukça ilginçtir. şaşıracaksınız. Örneğin, yüksek teknolojili çamaşır yıkama makinelerinin , yükün dengesiz olduğunu algılayabilen ve kendi kendilerine dönmelerini önlemek için elektrik motorunu kapatan ivmeölçerlere sahip olduğunu biliyor muydunuz? Veya elektronik ütüler ve fanlı ısıtıcılar gibi ısıtma cihazlarının, düştüklerini algılayan ve yangına neden olmalarını önlemek için onları kapatan ivmeölçerlere sahip olduğunu? İşte bunlar Roket biliminin hayatın içinde sıklıkla kullanılan ve fayda sağlayan yönleridir.
İvmeölçerler Ne Olduğunda Hızlanır?
İvmeölçerleri faydalarını anlamak için tam olarak nasıl çalıştığını kavramak gerekir. 5 saniyede durma noktasından 100km/sa hıza (ya da daha doğrusu, hıza) hızlanan bir arabanız varsa, ivme, hızdaki veya hızdaki değişimin zamana bölümüdür, yani 100/5 veya 20 km /saat/saniyedir. Başka bir deyişle, araba sürdüğü her saniye hızına 20 km/s daha ekler. Bu arabanın içinde oturuyorsanız, bir kronometre ve arabanın hız göstergesini kullanarak ivmeyi ölçebilirsiniz. Sadece 5 saniye sonra hız göstergesini okunduğunda, değeri 5’e bölünerek elde edilen sayı ivmedir.
Peki ya belirli bir zamanın geçmesini beklemeden ivme öğrenilmek isteniyorsa nasıl hesaplanır? Bu hesaplamayı yapmak için bilinmesi gereken hareket yasalarıdır, yani İngiliz bilim adamı Isaac Newton’un kütle ve kuvvet ilişkilendirilerek farklı bir şekilde ivme tanımlamasını yapabilmek gerekir. Belli bir kuvvetiniz varsa (diyelim ki bacağınızdaki gücü dışarı doğru tekmelerken) ve bunu bir kütleye (futbol topu) uygularsanız, kütleyi hızlandırırsınız ve top havaya fırlar. Newton’un ikinci hareket yasası, bu çok basit denklem aracılığıyla kuvvet, kütle ve ivmeyi ilişkilendirir:
Kuvvet = kütle x ivme
Başka bir deyişle, ivme, her bir kütle birimini hareket ettirmek için ihtiyaç duyduğumuz kuvvet miktarıdır. Bu denkleme bakarak, futbol toplarının neden bu şekilde çalıştığını görebilirsiniz: Ne kadar sert tekme atarsanız (kuvvet o kadar fazla) veya top ne kadar hafifse (kütle o kadar az), üreteceğiniz ivme de o kadar artar ve daha hızlı top gökyüzünde havalanır. Ayrıca mesafe, hız veya zaman içermeyen ikinci bir ivme hesaplama yöntemimiz olduğunu da görebilirsiniz. Bir şeye etki eden kuvveti ve aynı zamanda kütlesini ölçebilirsek, ivmesini basitçe kuvveti kütleye bölerek bulabiliriz. Hızı veya zamanı ölçmeye hiç gerek yoktur!
İvmeölçerler Nasıl Çalışır?
Bu denklem ivmeölçerlerin arkasındaki teoridir: ivmeyi, hızın zamanla nasıl değiştiğini hesaplayarak değil, kuvveti ölçerek ölçerler. Bunu nasıl yapıyorlar? Genel olarak bakıldığında; üzerine bir kuvvet etkisi söz olan bir kütlenin diğerine ne kadar baskı yaptığına bağlı olarak ivmesi değişir.
Bu, arabadayken hepimizin çok aşina olduğu durumdur. Bir arabanın arka koltuğunda oturduğunuzu, sürücünün yavaş hareket eden bir kamyonu geçmek için aniden hızlandığını düşünün. Önce öne doğru ivme gerçekleşir ve sonra koltuğa geri dönüldüğü hissedilir. Çünkü arabanın hızlanması onu aniden ileri doğru hareket ettirir. Bir araba ileri doğru hızlanırken geriye doğru hareket ettiğinizi düşündüğünüzde ise bu bir yanılsamadır.
Hareket yasalarına göre vücudunuz sabit hızında kalmaya çalışırken, araç koltuğu sürekli bir kuvvetle ittirir ve hızınızı artırmaya çalışır. Araba ne kadar çok hızlanırsa, oturan kişi koltuğundan o kadar fazla itme gücü hisseder. Beyniniz ve vücudunuz, makul ölçüde etkili bir ivmeölçer yapmak için birlikte çalışır: Vücudunuz ne kadar fazla kuvvet deneyimlerse, beyniniz vücudunuzun hareketleri ile arabanın hareketleri arasındaki farktan o kadar fazla hızlanma kaydeder. (Ve hareketli nesnelerin pencereden geçme hızı, arabanın motorunun sesindeki değişiklik dahil olmak üzere diğer duyulardan faydalı ipuçları alır. Mesela akan havanın gürültüsü vb.) Ve kişiler ne kadar yol kat ettiğini ve ne kadar sürdüğünü hesaplayarak değil, vücudunuzdaki duyumlardaki değişikliklerden hızlanmadaki değişiklikleri hisseder. Ve ivmeölçerler genel olarak aynı şekilde çalışır.
İvmeölçer Türleri
Birçok farklı ivmeölçer türü vardır. Mekanik olanlar, arabalarda oturan yolcuların kuvvetler üzerlerine etki ettikçe ileri geri hareket eden küçültülmüş ve basit versiyonları şeklindedir. Bir dış mahfazanın içinde asılı duran bir yaya bağlı bir kütleye benzer bir şeye sahiptirler. Hızlandıklarında, gövde hemen hareket eder, ancak kütle geride kalır ve yay, ivmeye karşılık gelen bir kuvvetle gerilir. Yayın germe mesafesi (germe kuvvetiyle orantılıdır), kuvveti ve ivmeyi çeşitli şekillerde ölçmek için kullanılabilir.
Sismometreler (depremleri ölçmek için kullanılır) deprem kuvvetlerini kaydetmek için yaylara bağlı ağır kütleler üzerinde kalemler kullanarak genel olarak bu şekilde çalışır. Bir deprem meydana geldiğinde, sismometre dolabını sallar, ancak (bir kütleye bağlı olan) kalemin hareket etmesi daha uzun sürer, bu nedenle kağıt grafik üzerinde sarsıntılı bir iz bırakır.
İvmeölçerlerin alternatif tasarımları, kuvveti kağıt üzerinde kalem izi yaparak değil, elektrik veya manyetik sinyaller üreterek ölçer. Piezodirençli ivmeölçerlerde kütle, üzerine etki eden kuvvetin büyüklüğüne göre bir elektrik akımını yukarı veya aşağı çeviren bir ses kontrolü gibi olan bir potansiyometreye (değişken direnç) bağlanır. Kapasitörler, ivmeölçerlerde de benzer şekilde kuvveti ölçmek için kullanılabilir: hareketli bir kütle iki metal plaka arasındaki mesafeyi değiştirirse, kapasitanslarındaki değişikliği ölçmek, etki eden kuvvetin bir ölçümünü verir.
Bazı ivmeölçerlerde, kuvars gibi piezoelektrik kristaller akıllı işi yapar. Bir kütleye bağlı bir kristal vardır, bu nedenle ivmeölçer hareket ettiğinde kütle kristali sıkıştırır ve küçük bir elektrik voltajı üretir. Hall etkisi ivme ölçerlerde, kuvvet ve ivme bir manyetik alan küçük değişimleri algılama ile ölçülür.
Çip Şeklinde MEMS İvmeölçer
Cep telefonlarının içinde bulabileceğiniz ivmeölçerler, yaylar üzerinde aşağı yukarı sıçrayan devasa kütlelere sahip değildir, bir telefonun içine asla bu kadar büyük bir cihaz sığdırmak mümkün değildir. Bunun yerine, cep telefonu ivmeölçerleri, tüm bileşenleri bir silikon parçasının yüzeyine kimyasal olarak kazınmış olan küçük mikroçiplere dayanmaktadır . Teknik olarak bunlara MEMS ivmeölçer denir ve burada “MEMS”, Mikro Elektro Mekanik Sistemler (MEMS) anlamına gelir. Kulağa oldukça karmaşık gelmektedir, ancak sadece kullanışlı bir silikon çip üzerine monte edilmiş küçük bir elektrikli ve mekanik cihaz anlamına gelir.
İşte bu yarı iletken ivmeölçerlerden birinde ne bulacağınıza dair çok basitleştirilmiş bir örnekle tanımlamak gerekirse;
Tam ortada, ivmeölçeri hareket ettirdiğinizde veya eğdiğinizde çok az yukarı ve aşağı hareket etmeye yetecek kütleye sahip kırmızı bir elektrot (elektrik terminali) vardır. Elektrot, onu tutacak kadar sert, ancak hareket etmesine izin verecek kadar esnek olan küçük bir kiriş (konsol) tarafından desteklenir. Konsoldan ve elektrottan çipin dışına elektriksel bir bağlantı vardır, böylece bir devreye bağlanabilmektedir. Kırmızı elektrotun altında ve ondan bir hava boşluğu ile ayrılmış, ikinci bir elektrot (mor) vardır. İki elektrot arasındaki hava boşluğu, kırmızı ve mor elektrotların bir kapasitör olarak birlikte çalıştığı anlamına gelir. İvmeölçeri hareket ettirdiğinizde ve kırmızı elektrot yukarı ve aşağı hareket ettikçe, kırmızı ve mor elektrotlar arasındaki mesafe değişir ve aralarındaki kapasitans da değişir.
Burada bir metrenin birkaç milyonda biri kadar (µm, mikron) inanılmaz derecede küçük mesafelerden bahsediyoruz. Küçük yalıtım parçaları (siyah çizgilerle gösterilmiştir), ivmeölçer gerçekten büyük bir kuvvet (ani bir sarsıntı) yaşarsa, kırmızı elektrotun mor olanla doğrudan elektrik teması kurmasını engeller. Aynı şekilde, kırmızı elektrotun üzerinde mavi bir elektrot ve ikinci bir kondansatör oluşturan başka bir hava boşluğu vardır. Daha önce olduğu gibi, ivmeölçeri hareket ettirdikçe mavi ve kırmızı elektrotlar arasındaki mesafe (ve aralarındaki kapasitans) değişir.
Elektrotlar, çipin kenarlarındaki daha fazla elektrik terminaline bağlanır, böylece daha büyük bir devreye bağlanabilir.Şimdi, bunun gibi kapasitörlerle ilgili şaşırtıcı olan şey, bunların çeşitli farklı elektrotlarla ve farklı silikon türlerinden (n-tipi ve p-tipi, aşina iseniz) yapılmış elektriksel olarak ileten katmanlarla, tek, mikroskobik çipler üzerinde imal edilmiş olmalarıdır.
Kaynakça:
https://www.rankred.com/what-is-an-accelerometer-definition-types-
https://www.fierceelectronics.com/sensors/what-accelerometer
https://www.omega.com/en-us/resources/accelerometers
Yazar: Özlem Güvenç Ağaoğlu