Serbest Cisim Diyagramı

Diyagram Çiziminin Amacı

Serbest cisim diyagramının çizilmesi, cismin üzerindeki kuvvetlerin, cisme uygulanan momentlerin ve hareket denkleminin belirlenmesine yardım ederek, problemin statik ve dinamik olarak analiz edilmesini sağlar. Yapıların analizinde, yapının bir bileşeninde serbest cisim diyagramı çizimi kayma kuvvetlerinin ve bükücü momentlerin belirlenmesini sağlar. Eğitim sırasında serbest cisim diyagramı ( SCD) çizme tekniğini öğrenmek, pek çok ana fizik konusunun (Newton hareket kanunları, makaralar, sürtünme kuvveti, rampadaki cisimler, dairesel hareket vb.)  temelini kavramada oldukça büyük bir öneme sahiptir. Fizik problemlerinde serbest cisim diyagramı çizmek, karmaşık problemleri anlaşılır parçalara böler ve soru çözümünü kolaylaştırır.

Diyagramın Çizimi

Çizilen diyagramın ölçeklendirilmesine gerek yoktur. Aksine; SCD,  problem çözülürken üzerinde değişiklikler yapılmaya müsait, problemi ortaya koyan kaba bir çizimdir. Zor veya hızlı algoritma içermez. Diyagramın resmedilişi – yalnızca çizimi değil yorumlanışı da- büyük ölçüde cismin nasıl biçimlendirilmiş olduğuna bağlıdır.

Cismin Modellenmesi

Bir cisim üç şekilde modellenebilir:
(i)Parçacık:  Bu model herhangi bir döndürme etkeni olmadığında veya cisim genişletildiğinde dahi herhangi bir etki olmadığında kullanılır.  Cisim küçük bir damla şeklinde gösterilir ve diyagram eş zamanlı kuvvet oklarına indirgenmiş olur. Parçacık üzerindeki kuvvete bağlı vektör adı verilir.
(ii)Katı cisim: Gerginlik ve basınç kuvvetleri olmadığında, döndürme etkeni incelendiğinde kullanılır. Kuvvet okları kuvvet doğrusu boyunca yer almalıdır. Katı cisim üzerindeki kuvvete kaydırma vektörü adı verilir.
(iii)Katı olmayan cisim: Kuvvetlerin uygulandığı uygulama noktası oldukça önemlidir ve diyagram üzerinde mutlaka gösterilmelidir. Katı olmayan cisim üzerindeki kuvvete bağlı vektör adı verilir. Bazı mühendisler uygulama noktasını gösterirken okun kuyruk kısmını kullanırken bazıları uç kısmını kullanırlar.

Örnek: Serbest Düşen Cisim

Yukarıda anlatılan noktalar bir örnek yardımıyla daha kolay açıklığa kavuşturulabilir. Düzenli bir çekimsel alandaki cismin serbest düşüşünü ele alın
(i)Parçacık: Damla şeklindeki cisimden aşağı doğru çizilmiş tek bir dikey ok yeterli olacaktır.
(ii)Katı cisim: Çekim kuvveti cisimdeki her bir parçacığa etki etse de, cismin ağırlığını (W)  gösteren tek bir ok yeterli olacaktır. Ok yerçekiminin merkezine doğru, doğrusal olarak uzanmalıdır. Tam olarak doğrusal uzanan çizim göz kararı yapılabilir. Genelde ok tam olarak cismin merkezinden uzatılır ama bu konuda kesin bir kural yoktur.
(iii)Katı olmayan cisim: Katı olmayan cisim analizinde yerçekimi kuvvetini tek bir noktada göstermek pozitif hataya neden olur.

Örnek: Eğimli Yüzeydeki Blok

Eğimli yüzeydeki bir blok için çizilen basit bir serbest cisim diyagramı yukarıdaki gibidir. 
Dış destekler ve yapılar, bu yapıların cisme uyguladığı kuvvet ile değiştirilmiştir. Bu kuvvetler şunları içerir: 
mg: cismin kütlesi ile yerçekimi sabitinin çarpımı ağırlığı verir.
N:  rampanın uyguladığı normal kuvvet.
F: rampanın sürtünme kuvveti
Kuvvet vektörleri yön ve uygulama noktasını göstermektedir ve büyüklükleri tanımlanmıştır. 
Vektörleri tanımlarken kolaylık sağlayacak koordinat sistemi içerir.
Diyagramı sözlü olarak yorumlarken dikkat edilmesi gereken noktalar vardır. Normal kuvvetinin hareket çizgisi zeminin tam orta noktasında gösterilmiştir ancak kuvvetin gerçek yeri ancak daha fazla bilgi verilirse bulunabilir. 
Ayrıca sürtünme kuvvetini gösterimiyle ilgili de potansiyel bir zorluk söz konusudur. Bu diyagramı çizen kişi kuvvetin uygulama noktasını okun uç kısmıyla göstermiş. Sürtünme kuvvetini gösteren okun uç kısmı zeminin en yüksek kısmında. Fakat bunun amacı sürtünme kuvvetini  tam olarak o noktaya uygulandığını göstermek değil. Çizen kişi, katı cisim varsayımını kullandığından, sürtünme kuvveti kaydırma kuvveti olmuş ve uygulanma noktası önemsiz hale gelmiştir. Kişinin o şekilde çizmesinin amacı, sürtünme kuvvetinin cisim tabanı boyunca uygulandığını göstermektir. Bu tip çizim seçenekleri kişinin seçimine göre değişebilir.