Basınç Ve Kaldırma Kuvveti Ders Notu

Basınç ve kaldırma kuvveti, günlük hayatta sıkça karşılaştığımız, fiziğin temel kavramlarından ikisidir. Bu konuda, katıların, sıvıların ve gazların uyguladığı basıncı, basıncın günlük hayattaki uygulamalarını ve sıvıların cisimlere uyguladığı kaldırma kuvvetini inceleyeceğiz.

1. Basınç 🤔

Basınç, birim yüzeye dik olarak etki eden kuvvettir. SI birim sisteminde birimi Pascal (Pa) olup, \( 1 \, \text{Pa} = 1 \, \text{N/m}^2 \) olarak tanımlanır.

1.1. Katı Basıncı

Katı cisimler, ağırlıkları nedeniyle bulundukları yüzeye bir basınç uygularlar. Bu basınç, cismin yüzeye uyguladığı dik kuvvet ile temas alanı arasındaki ilişkiyle açıklanır.

• Formülü: Katı basıncı, cismin yüzeye uyguladığı dik kuvvetin (genellikle ağırlığı) yüzey alanına bölünmesiyle bulunur. \[ P_{katı} = \frac{F}{A} \] Burada;
  • \( P_{katı} \): Katı basıncı (Pa veya N/m²)
  • \( F \): Yüzeye dik etki eden kuvvet (N)
  • \( A \): Temas alanı (m²)
• Basıncı Etkileyen Faktörler:
  • Uygulanan dik kuvvet (genellikle ağırlık) ile doğru orantılıdır. Kuvvet arttıkça basınç artar.
  • Temas yüzey alanı ile ters orantılıdır. Alan arttıkça basınç azalır, alan azaldıkça basınç artar.
• Günlük Hayat Örnekleri:
  • Bıçakların keskin (ince) tarafı daha az alan kapladığı için daha fazla basınç uygular ve kesme işini kolaylaştırır.
  • Kar ayakkabılarının geniş tabanları, kar üzerinde temas alanını artırarak basınca azaltır ve kara batmayı engeller.
  • Traktörlerin geniş tekerlekleri, toprağa uygulanan basıncı azaltarak yumuşak zeminde batmayı önler.

1.2. Sıvı Basıncı

Sıvılar, içinde bulundukları kabın çeperlerine ve tabanına, ayrıca içlerine daldırılmış cisimlere basınç uygularlar. Sıvı basıncı, katı basıncından farklı olarak, sıvının derinliğine ve yoğunluğuna bağlıdır.

• Formülü: Bir sıvının belirli bir derinlikteki noktaya uyguladığı basınç; \[ P_{sıvı} = h \cdot d \cdot g \] Burada;
  • \( P_{sıvı} \): Sıvı basıncı (Pa veya N/m²)
  • \( h \): Sıvı yüzeyinden derinlik (m)
  • \( d \): Sıvının yoğunluğu (kg/m³)
  • \( g \): Yer çekimi ivmesi (N/kg veya m/s²)
• Basıncı Etkileyen Faktörler:
  • Sıvının derinliği (\( h \)) ile doğru orantılıdır. Derinlik arttıkça basınç artar.
  • Sıvının yoğunluğu (\( d \)) ile doğru orantılıdır. Yoğunluk arttıkça basınç artar.
  • Yer çekimi ivmesi (\( g \)) ile doğru orantılıdır.
  • Sıvı basıncı, kabın şekline veya sıvı miktarının hacmine bağlı değildir. Yalnızca derinlik, yoğunluk ve yer çekimi ivmesine bağlıdır.
• Sıvı Basıncının Özellikleri:
  • Sıvılar, kendilerine uygulanan basıncı her yöne ve her noktaya aynen iletirler. Bu ilkeye Pascal Prensibi denir.
  • Kapalı kaplardaki sıvıların basıncı iletme özelliği, hidrolik fren sistemleri, vinçler ve itfaiye merdivenleri gibi birçok teknolojik uygulamada kullanılır.

1.3. Gaz Basıncı

Gazlar da sıvılar gibi bulundukları kabın her noktasına basınç uygularlar. Gaz basıncı, gaz moleküllerinin kabın çeperlerine çarpması sonucu oluşur.

• Açık Hava Basıncı (Atmosfer Basıncı):
  • Dünyayı saran atmosfer tabakasındaki gazların ağırlığı nedeniyle yeryüzündeki tüm cisimlere uyguladığı basınca açık hava basıncı denir.
  • Açık hava basıncı, deniz seviyesinden yukarılara çıkıldıkça azalır.
  • Torricelli Deneyi: İtalyan bilim insanı Torricelli, cıva kullanarak açık hava basıncını ölçmüştür. Bu deney, atmosfer basıncının varlığını kanıtlamış ve standart atmosfer basıncının yaklaşık \( 76 \, \text{cmHg} \) olduğunu göstermiştir.
  • Açık hava basıncı barometre ile ölçülür.
• Kapalı Kaplardaki Gaz Basıncı:
  • Kapalı bir kaptaki gazın basıncı, gaz moleküllerinin hızı, sayısı ve kabın hacmi gibi faktörlere bağlıdır.
  • Kapalı kaplardaki gaz basıncı manometre ile ölçülür.
  • Bir gazın sıcaklığı artırıldığında, moleküllerin hızı artar ve kabın çeperlerine daha sık ve şiddetli çarparak basıncı artırır (hacim sabitse).
  • Bir gazın hacmi küçültüldüğünde, moleküllerin birim yüzeye çarpma sayısı artar ve basınç artar (sıcaklık sabitse).

2. Kaldırma Kuvveti 💪

Sıvıların ve gazların (akışkanların) içine bırakılan cisimlere, akışkan tarafından yukarı yönde uygulanan kuvvete kaldırma kuvveti denir.

2.1. Arşimet Prensibi

Arşimet Prensibi'ne göre, bir akışkanın içine tamamen ya da kısmen batırılan bir cisme, akışkan tarafından yukarı yönde bir kaldırma kuvveti etki eder. Bu kaldırma kuvvetinin büyüklüğü, cismin yerini değiştirdiği akışkanın ağırlığına eşittir.

• Formülü: \[ F_k = V_{batan} \cdot d_{sıvı} \cdot g \] Burada;
  • \( F_k \): Kaldırma kuvveti (N)
  • \( V_{batan} \): Cismin sıvı içerisindeki batan hacmi (m³)
  • \( d_{sıvı} \): Sıvının yoğunluğu (kg/m³)
  • \( g \): Yer çekimi ivmesi (N/kg veya m/s²)
• Kaldırma Kuvvetini Etkileyen Faktörler:
  • Cismin akışkan içindeki batan hacmi (\( V_{batan} \)) ile doğru orantılıdır. Batan hacim arttıkça kaldırma kuvveti artar.
  • Akışkanın yoğunluğu (\( d_{sıvı} \)) ile doğru orantılıdır. Akışkanın yoğunluğu arttıkça kaldırma kuvveti artar.
  • Yer çekimi ivmesi (\( g \)) ile doğru orantılıdır.
  • Cismin kendi yoğunluğuna veya toplam hacmine doğrudan bağlı değildir (batan hacim değişmediği sürece).

2.2. Yüzme, Askıda Kalma ve Batma

Bir cismin sıvı içinde nasıl dengeye geleceği, cismin yoğunluğu ile sıvının yoğunluğu arasındaki ilişkiye bağlıdır. Ayrıca cismin ağırlığı ile kaldırma kuvveti karşılaştırılmasıyla da açıklanabilir.

Durum	Yoğunluk İlişkisi	Kuvvet İlişkisi	Açıklama
Yüzme	\( d_{cisim} < d_{sıvı} \)	\( G_{cisim} < F_k \)	Cisim, sıvının yüzeyinde bir kısmı batık olarak dengede kalır. Kaldırma kuvveti cismin ağırlığına eşittir.
Askıda Kalma	\( d_{cisim} = d_{sıvı} \)	\( G_{cisim} = F_k \)	Cisim, sıvının içinde herhangi bir derinlikte, dibe değmeden dengede kalır. Kaldırma kuvveti cismin ağırlığına eşittir.
Batma	\( d_{cisim} > d_{sıvı} \)	\( G_{cisim} > F_k \)	Cisim, sıvının dibine batar. Kaldırma kuvveti cismin ağırlığından küçüktür.

Önemli Not: Yüzen ve askıda kalan cisimler için kaldırma kuvveti, cismin ağırlığına eşittir. Batan cisimler için ise kaldırma kuvveti, cismin ağırlığından küçüktür.