Sıkıştırma mı, germe mi?

Bir yapının her parçası, komşuları tarafından itilir veya çekilir. Mühendisler bu iç kuvvetleri birkaç türe ayırır:

• Basınç: malzeme sıkıştırılır. Çatının altındaki bir sütun, bir elin altındaki kitap yığını.
• Gerilme: malzeme gerilir. Bir lambayı taşıyan ip, bir köprü kablosu, gerilmiş bir lastik.
• Kesme: malzeme katmanları, makasla kâğıt kesmeye benzer şekilde birbirlerinin üzerinden kaymaya çalışır.
• Eğilme: bir kiriş sarkar; bu nedenle üst kenarı sıkışır, alt kenarı gerilir.

Tek başına bir kuvvet, bir parçanın dayanıp dayanamayacağını göstermez. Önemli olan, kuvveti taşıyan alan üzerine yayılan kuvvettir. Buna gerilme denir: stress = force ÷ area; paskal (Pa) veya megapaskal (MPa, milyonlarca paskal) cinsinden ölçülür. Bir çubuktaki 100 mm²'lik bir çapraz kesitten asılan 1 kN'lık yük (100 kg kütlenin ağırlığına yaklaşık olarak eşittir) 1 000 N ÷ 0.0001 m² = 10 MPa sonucu verir.

Malzemeler her iki işte de aynı derecede iyi değildir. Taş, tuğla ve beton basma kuvvetlerine karşı güçlü, çekme kuvvetlerine karşı zayıftır. Kabaca söylemek gerekirse çekme dayanımları, basma dayanımlarının yaklaşık onda biri, hatta çoğu zaman daha azıdır. Bir taş kirişi çekersen, aynı boyuttaki sıkıştırılmış bir taş bloktan çok önce çatlar. Çelik ve halat ise bunun tam tersidir: Çelik her iki yönde de güçlüdür; halat veya kablo çekme kuvvetinde mükemmeldir ama basma kuvvetinde işe yaramaz, çünkü bir halatı ittiğinde sadece gevşer.

Bir sorun daha var. Sıkıştırılan ince ve uzun bir parça önce ezilmez; burkulur ve iki ucundan bastırılan bir cetvel gibi yana doğru eğilir. Taş sütunların bu yüzden kalın olduğunu, çelik basma elemanlarının da ince çubuklar yerine boru veya derin kesitler şeklinde yapıldığını artık anlayabilirsin.

Tasarımcılar için ders şudur: Bir yapının şekli, hangi iç kuvveti kullanacağını belirler. Çekmeye karşı zayıf bir malzemenin yalnızca basma kuvveti hissetmesini sağlayacak bir şekil seçebilirsin. Kemer tam olarak bunu yapar. Çekmeye dayanıklı bir malzemen olduğunda ise bir boşluğu aşan yükü taşımak için en hafif seçenek kablodur.