Basınç, Açık Hava Basıncı, Kaldırma Kuvveti, Bernoulli İlkesi, Sıvılarda Basınç Ders Notu

Cisimlerin bulundukları yüzeylere uyguladıkları kuvvetin, birim yüzey alanına düşen miktarına basınç denir. Basınç, temel olarak katı, sıvı ve gazlarda farklı özellikler gösterir.

Basınç Kavramı 💡

Basınç, birim yüzeye dik olarak etki eden kuvvettir. Skaler bir büyüklüktür.

Katı Basıncı

Katılar, ağırlıkları nedeniyle bulundukları yüzeye bir basınç uygularlar. Bu basınç, cismin ağırlığı ile temas yüzey alanına bağlıdır.

• Tanım: Bir katı cismin ağırlığı nedeniyle temas ettiği yüzeye dik olarak uyguladığı kuvvettir.
• Formül: Katı basıncı, cismin yüzeye uyguladığı dik kuvvetin (genellikle ağırlığı) yüzey alanına bölünmesiyle bulunur.

\[ P = \frac{F}{A} \]

Burada;
P: Basınç (Pascal - Pa veya N/m\(^2\))
F: Yüzeye dik etki eden kuvvet (Newton - N)
A: Temas yüzey alanı (metre kare - m\(^2\))

• Basıncı Etkileyen Faktörler:
  • Kuvvet (Ağırlık): Yüzeye dik etki eden kuvvet arttıkça basınç artar. (Örn: Ağır bir cismin yere yaptığı basınç daha fazladır.)
  • Yüzey Alanı: Temas yüzey alanı azaldıkça basınç artar, arttıkça basınç azalır. (Örn: Bıçağın keskin ucu veya çivinin sivri ucu daha az alanla daha çok basınç uygular.)

Sıvı Basıncı ve Sıvılarda Basınç

Sıvılar, içinde bulundukları kabın her noktasına ve içlerine bırakılan cisimlere basınç uygularlar. Sıvı basıncı, katı basıncından farklı olarak sıvının derinliğine ve yoğunluğuna bağlıdır.

• Tanım: Bir sıvının belirli bir derinlikteki bir noktaya veya içinde bulunduğu kabın duvarlarına uyguladığı kuvvettir.
• Formül: Sıvı basıncı, sıvının derinliği, yoğunluğu ve yer çekimi ivmesinin çarpımı ile bulunur.

\[ P = h \cdot d \cdot g \]

Burada;
P: Sıvı Basıncı (Pascal - Pa veya N/m\(^2\))
h: Sıvının yüzeyinden itibaren derinlik (metre - m)
d: Sıvının yoğunluğu (kilogram/metre küp - kg/m\(^3\))
g: Yer çekimi ivmesi (metre/saniye kare - m/s\(^2\))

• Sıvı Basıncını Etkileyen Faktörler:
  • Derinlik (h): Derinlik arttıkça basınç artar. (Örn: Denize daldıkça kulaklarımızda hissettiğimiz basınç artar.)
  • Yoğunluk (d): Sıvının yoğunluğu arttıkça basınç artar. (Örn: Cıvanın suya göre daha fazla basınç uygulaması.)
  • Yer Çekimi İvmesi (g): Yer çekimi ivmesi arttıkça basınç artar.
• Pascal Prensibi (Sıvıların Basıncı İletmesi):

  Kapalı bir kaptaki sıvıya uygulanan basınç, sıvının ve kabın iç yüzeyinin her noktasına aynen ve eşit olarak iletilir. Bu prensip, hidrolik fren sistemleri, hidrolik liftler ve itfaiye merdivenleri gibi birçok alanda kullanılır.

• Bileşik Kaplar:

  Farklı şekil ve büyüklükteki kapların tabanlarından birleştirilmesiyle oluşan kaplara bileşik kaplar denir. Denge halindeki bileşik kaplarda aynı cins sıvı varsa, kollarındaki sıvı seviyeleri birbirine eşittir ve aynı yatay seviyedeki tüm noktalarda basınçlar eşittir.

Gaz Basıncı

Gazlar, bulundukları kabın iç yüzeyine moleküllerin çarpması sonucu basınç uygularlar. Gaz basıncı, sıcaklık, hacim ve gaz miktarına bağlıdır.

• Tanım: Gaz moleküllerinin kabın çeperlerine çarparak uyguladıkları kuvvettir.
• Kapalı Kaplardaki Gaz Basıncı:

  Sabit sıcaklıkta bir kaptaki gazın hacmi küçültüldüğünde basıncı artar. Sabit hacimde sıcaklık arttırıldığında gaz basıncı artar. Gaz miktarı arttırıldığında da basınç artar.

Açık Hava Basıncı (Atmosfer Basıncı) 🌎

Dünyayı saran atmosfer tabakasındaki havanın ağırlığı nedeniyle yeryüzündeki tüm cisimlere uyguladığı basınca açık hava basıncı denir.

• Nedenleri: Atmosferdeki gazların ağırlığı ve hareketli gaz moleküllerinin çarpışmaları.
• Toriçelli Deneyi:

  İtalyan bilim insanı Evangelista Torricelli, cıva kullanarak açık hava basıncını ölçen bir deney yapmıştır. Deniz seviyesinde ve \(0^\circ \text{C}\) sıcaklıkta, cıva dolu bir kabın içine ters çevrilmiş, ağzı kapalı, uzun bir cam boru batırıldığında cıvanın boru içinde yaklaşık 76 cm yüksekliğe çıktığını gözlemlemiştir. Bu yükseklik, açık hava basıncının dengelendiği yüksekliktir.

  Bu deney, açık hava basıncının varlığını ve değerini kanıtlamıştır. Açık hava basıncı, deniz seviyesinden yukarılara çıkıldıkça azalır.

• Barometre: Açık hava basıncını ölçen alete barometre denir.
• Günlük Hayat Örnekleri:
  • Pipetle sıvı çekilmesi
  • Vantuzların yüzeye yapışması
  • Lavabo pompası ile tıkanıklık açılması
  • Gazlı içecek şişelerinin açıldığında ses çıkarması

Kaldırma Kuvveti ⚓

Bir akışkan (sıvı veya gaz) içine bırakılan cisme, akışkan tarafından yukarı yönde uygulanan kuvvete kaldırma kuvveti denir.

• Nedenleri: Sıvı içindeki cismin alt yüzeyine etki eden sıvı basıncının, üst yüzeyine etki eden sıvı basıncından daha büyük olmasıdır. Bu basınç farkı, cisme yukarı yönlü bir net kuvvet uygular.
• Arşimet Prensibi:

  Bir sıvıya tamamen veya kısmen batırılan bir cisme, batan hacmi kadar sıvının ağırlığına eşit bir kaldırma kuvveti etki eder. Bu kuvvet, cismin batan kısmının hacmi ile sıvının yoğunluğuna bağlıdır.

• Kaldırma Kuvveti Formülü:

\[ F_K = V_{batan} \cdot d_{sıvı} \cdot g \]

Burada;
\( F_K \): Kaldırma Kuvveti (Newton - N)
\( V_{batan} \): Cismin sıvıya batan hacmi (metre küp - m\(^3\))
\( d_{sıvı} \): Sıvının yoğunluğu (kilogram/metre küp - kg/m\(^3\))
g: Yer çekimi ivmesi (metre/saniye kare - m/s\(^2\))

• Yüzme, Askıda Kalma, Batma Şartları:
  • Yüzme: Cismin yoğunluğu sıvının yoğunluğundan küçükse cisim yüzer. (\(d_{cisim} < d_{sıvı}\) )
  • Askıda Kalma: Cismin yoğunluğu sıvının yoğunluğuna eşitse cisim askıda kalır. (\(d_{cisim} = d_{sıvı}\) )
  • Batma: Cismin yoğunluğu sıvının yoğunluğundan büyükse cisim batar. (\(d_{cisim} > d_{sıvı}\) )

Bernoulli İlkesi 💨

Akışkanların (sıvı ve gazlar) hızları ile basınçları arasındaki ilişkiyi açıklayan önemli bir ilkedir.

• Tanım: Akışkanlar, hızlarının arttığı yerde basınçlarının azaldığını, hızlarının azaldığı yerde ise basınçlarının arttığını gösterir. Yani akışkan hızı ile basınç ters orantılıdır.
• Günlük Hayat Örnekleri:
  • Uçak Kanadı: Uçak kanadının özel şekli sayesinde, kanadın üstünden geçen hava daha hızlı akar. Bu durum, kanadın üst yüzeyindeki basıncı düşürürken, alt yüzeydeki basıncı daha yüksek tutar ve bu basınç farkı uçağın yukarı doğru kalkmasını sağlayan kaldırma kuvvetini oluşturur.
  • Rüzgarlı Havada Çatıların Uçması: Şiddetli rüzgarlı havalarda, evlerin çatısının üzerinden geçen havanın hızı artar. Bu da çatının üzerindeki basıncı düşürür. Evin içindeki basınç daha yüksek kaldığı için, basınç farkından dolayı çatı yukarı doğru itilerek uçabilir.
  • Musluktan Akan Suyun İncelmesi: Musluktan yavaşça akan su aşağı doğru hızlandıkça, kesit alanı daralır (incelir). Bu, hızın artmasıyla basıncın azaldığı ve akışkanın dar bir alana sıkıştığı ilkesine bir örnektir.
  • Spreyler ve Parfüm Şişeleri: Püskürtücü mekanizmalarda, hava hızlıca dar bir borudan geçerken basıncı düşer ve bu düşük basınç, sıvıyı yukarı çekerek dışarı püskürtülmesini sağlar.