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

Basınç, birim yüzeye etki eden dik kuvvete denir. Fizikte temel bir kavram olup, katılar, sıvılar ve gazlar için farklı şekillerde incelenir. Basınç, günlük hayatta birçok olayın temelini oluşturur; örneğin bıçağın keskin kenarının daha kolay kesmesi veya yüzücülerin suyun altında hissettiği kuvvet gibi.

Katı Basıncı 🧱

Katı cisimler, ağırlıkları nedeniyle bulundukları yüzeye bir kuvvet uygularlar. Bu kuvvetin birim yüzeye düşen miktarına katı basıncı denir.

• Basınç (P) skaler bir büyüklüktür.
• Birimi Pascal (Pa)'dır. \(1 \text{ Pa} = 1 \text{ N/m}^2\).

Katı Basıncının Formülü

Katı basıncı, cismin ağırlığı (veya yüzeye uyguladığı dik kuvvet) ile yüzey alanı arasındaki oranla bulunur.

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

Burada;

• \(P\): Basınç (Pascal - Pa veya N/m²)
• \(F\): Yüzeye dik etki eden kuvvet (Newton - N). Katılar için genellikle cismin ağırlığıdır (\(G\)).
• \(A\): Kuvvetin uygulandığı yüzey alanı (metrekare - m²)

Eğer kuvvet, cismin ağırlığı ise formül şu şekilde de yazılabilir:

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

Önemli Not: Katılar, üzerlerine uygulanan kuvveti aynı doğrultuda ve aynı büyüklükte iletirken, basıncı iletmezler. Basınç, kuvvetin uygulandığı yüzey alanına bağlı olarak değişir.

Katı Basıncını Etkileyen Faktörler

• Kuvvet (Ağırlık): Yüzeye etki eden dik kuvvet arttıkça basınç artar (alan sabitken).
• Yüzey Alanı: Kuvvetin uygulandığı yüzey alanı azaldıkça basınç artar (kuvvet sabitken).

Örnekler:

• Bıçaklar keskin (ince yüzey alanı) olduğu için daha az kuvvetle daha büyük basınç uygulayarak kolay keser.
• Paletli iş makineleri (geniş yüzey alanı) bataklıkta veya yumuşak zeminde batmadan ilerleyebilir.
• Karda yürüyen insanların kar ayakkabısı (geniş yüzey alanı) kullanması, basıncı azaltarak batmayı önler.

Sıvılarda Basınç 💧

Sıvılar, içinde bulundukları kabın her noktasına ve temas ettikleri yüzeylere basınç uygularlar. Sıvılar akışkan oldukları için katılar gibi belirli bir şekilleri yoktur ve içine konuldukları kabın şeklini alırlar.

Sıvı Basıncının Formülü

Durgun bir sıvıda, bir noktadaki sıvı basıncı o noktanın sıvının açık yüzeyine olan derinliğine, sıvının özkütlesine ve yer çekimi ivmesine bağlıdır.

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

Burada;

• \(P\): Sıvı basıncı (Pascal - Pa)
• \(h\): Sıvının açık yüzeyinden derinlik (metre - m)
• \(d\): Sıvının özkütlesi (yoğunluğu) (kilogram/metreküp - kg/m³)
• \(g\): Yer çekimi ivmesi (metre/saniye kare - m/s²)

Önemli Not: Sıvı basıncı, kabın şekline veya kabın taban alanına bağlı değildir. Sadece derinliğe, sıvının özkütlesine ve yer çekimi ivmesine bağlıdır.

Pascal Prensibi (Sıvıların Basıncı İletmesi)

Kapalı bir kaptaki durgun sıvının herhangi bir noktasına uygulanan basınç, sıvının her noktasına ve kabın iç yüzeyine aynen iletilir.

Bu prensip, hidrolik fren sistemleri, hidrolik liftler (kaldıraçlar) ve berber koltukları gibi birçok teknolojik uygulamada kullanılır.

Açık Hava Basıncı 💨

Dünyamızı saran atmosfer tabakasındaki hava, ağırlığı nedeniyle yeryüzündeki tüm cisimlere bir basınç uygular. Bu basınca açık hava basıncı veya atmosfer basıncı denir.

• Açık hava basıncının büyüklüğü, deniz seviyesinde ve normal koşullarda yaklaşık \(1 \text{ atm}\) olarak kabul edilir.
• Birimi atmosfer (atm), milimetre cıva (mmHg) veya santimetre cıva (cmHg) olarak ifade edilebilir.
• Deniz seviyesinde yaklaşık \(76 \text{ cmHg}\) veya \(760 \text{ mmHg}\)'dir.

Torricelli Deneyi

İtalyan bilim insanı Evangelista Torricelli, açık hava basıncını ölçmek için bir deney yapmıştır. Bu deneyde, bir ucu kapalı cam boruyu cıva ile doldurup, ağzını kapatarak cıva dolu bir kaba ters çevirmiştir. Borudaki cıvanın bir kısmı kaba akarken, boruda belirli bir yükseklikte (deniz seviyesinde yaklaşık \(76 \text{ cm}\)) cıva sütunu kalmıştır.

Borudaki cıva sütununun kaba uyguladığı basınç ile açık hava basıncı dengelenmiştir. Bu deney, açık hava basıncının varlığını kanıtlamış ve büyüklüğünü ölçmek için bir yöntem sunmuştur.

Açık Hava Basıncını Etkileyen Faktörler

• Yükseklik: Deniz seviyesinden yukarılara çıkıldıkça atmosfer tabakasının kalınlığı azaldığı için açık hava basıncı azalır.
• Sıcaklık: Sıcaklık arttıkça hava genleşir ve yoğunluğu azalır, bu da açık hava basıncının azalmasına neden olabilir.

Kaldırma Kuvveti ⚓

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

Arşimet Prensibi

Bir akışkan içine kısmen veya tamamen batırılan bir cisme, akışkan tarafından yukarı yönde bir kaldırma kuvveti etki eder. Bu kaldırma kuvvetinin büyüklüğü, cismin yer değiştirdiği (taşırdığı) akışkanın ağırlığına eşittir.

Kaldırma Kuvvetinin Formülü

Kaldırma kuvveti, cismin batan hacmi, sıvının özkütlesi ve yer çekimi ivmesinin çarpımı ile bulunur.

\[ F_k = V_{batan} \times d_{sıvı} \times g \]

Burada;

• \(F_k\): Kaldırma kuvveti (Newton - N)
• \(V_{batan}\): Cismin sıvıya batan hacmi (metreküp - m³)
• \(d_{sıvı}\): Sıvının özkütlesi (kilogram/metreküp - kg/m³)
• \(g\): Yer çekimi ivmesi (metre/saniye kare - m/s²)

Cisimlerin Sıvılardaki Denge Durumları

Bir cismin sıvı içindeki denge durumu, cismin ağırlığı ile kaldırma kuvveti arasındaki ilişkiye veya cismin özkütlesi ile sıvının özkütlesi arasındaki ilişkiye bağlıdır.

Denge Durumu	Ağırlık (\(G\)) vs Kaldırma Kuvveti (\(F_k\))	Cismin Özkütlesi (\(d_{cisim}\)) vs Sıvının Özkütlesi (\(d_{sıvı}\))
Yüzme 🌊	\(G < F_k\) (Cisim batmıyor, bir kısmı dışarıda)	\(d_{cisim} < d_{sıvı}\)
Askıda Kalma 🪷	\(G = F_k\) (Cisim sıvının içinde dengede)	\(d_{cisim} = d_{sıvı}\)
Batma 🪨	\(G > F_k\) (Cisim dibe batar)	\(d_{cisim} > d_{sıvı}\)

Görünür Ağırlık: Sıvı içindeki bir cismin ağırlığı, kaldırma kuvveti nedeniyle azalıyormuş gibi hissedilir. Bu duruma cismin sıvı içindeki görünür ağırlığı denir ve \(G_{görünür} = G - F_k\) formülü ile hesaplanır.