Katı Ve Sıvı Basıncı, Açık Hava Basıncı, Kaldırma Kuvveti Ders Notu

Basınç, katı, sıvı ve gaz halindeki maddelerin bir yüzeye uyguladığı dik kuvvettir. Bu derste, katı ve sıvı basıncını, atmosferin uyguladığı açık hava basıncını ve sıvıların cisimlere uyguladığı kaldırma kuvvetini temel prensipleriyle inceleyeceğiz.

1. Katı Basıncı ve Basınç Kuvveti 🧱

Katı maddeler ağırlıkları nedeniyle bulundukları yüzeye bir kuvvet uygular. Bu kuvvete basınç kuvveti denir. Basınç kuvvetinin birim yüzeye düşen miktarına ise basınç denir.

• Basınç Kuvveti (F): Bir yüzeye dik olarak etki eden kuvvettir. Katılarda genellikle cismin ağırlığı (G) basınç kuvvetini oluşturur. Birimi Newton (N)'dur.
• Basınç (P): Basınç kuvvetinin, kuvvetin uygulandığı yüzey alanına oranıdır.

Katı Basıncının Formülü

Katı basıncı aşağıdaki formülle ifade edilir:

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

Burada:

• \(P\): Basınçtır. Birimi Pascal (Pa) veya N/m²'dir.
• \(F\): Basınç kuvvetidir. Birimi Newton (N)'dur. (Katılarda genellikle cismin ağırlığı G'ye eşittir.)
• \(A\): Kuvvetin uygulandığı yüzey alanıdır. Birimi metrekare (m²)'dir.

Basınç, kuvvet ile doğru orantılı, yüzey alanı ile ters orantılıdır.

Katı Basıncına Günlük Hayattan Örnekler

• Bıçakların keskin tarafının (küçük yüzey alanı) daha kolay kesim yapması.
• Çivilerin uçlarının sivri (küçük yüzey alanı) yapılması.
• Karda batmamak için kar ayakkabısı (geniş yüzey alanı) kullanılması.
• Tırların ve iş makinelerinin paletli (geniş yüzey alanı) olması.

Unutmayın: Katılar, üzerlerine uygulanan kuvveti aynı doğrultuda ve aynı büyüklükte iletirken, basıncı iletmezler. Basınç, yüzey alanına göre değişir.

2. Sıvı Basıncı ve Pascal Prensibi 💧

Sıvılar, içinde bulundukları kabın çeperlerine ve temas ettikleri tüm yüzeylere ağırlıklarından dolayı bir basınç uygular. Bu basınca sıvı basıncı denir.

Sıvı Basıncının Formülü

Bir sıvının herhangi bir noktada oluşturduğu basınç aşağıdaki formülle hesaplanır:

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

Burada:

• \(P\): Sıvı basıncıdır. Birimi Pascal (Pa) veya N/m²'dir.
• \(h\): Sıvının açık yüzeyinden basıncın ölçüldüğü noktanın derinliğidir. Birimi metre (m)'dir.
• \(d\): Sıvının yoğunluğudur. Birimi kg/m³'tür.
• \(g\): Yer çekimi ivmesidir. Birimi N/kg veya m/s²'dir.

Sıvı basıncı:

• Sıvının derinliği (\(h\)) arttıkça artar.
• Sıvının yoğunluğu (\(d\)) arttıkça artar.
• Kabın şekline ve sıvı miktarına bağlı değildir.

Pascal Prensibi

Sıvılar, üzerlerine uygulanan basıncı, temas ettikleri her noktaya, her doğrultuda ve eşit büyüklükte iletir. Bu prensibe Pascal Prensibi denir.

Pascal Prensibi'nin günlük hayattaki uygulamaları:

• Hidrolik fren sistemleri
• Su cendereleri
• Berber koltukları
• İş makinelerinin hidrolik kolları

Bileşik Kaplar

Farklı şekil ve hacimlerdeki kapların alt kısımlarından birleştirilmesiyle oluşan kaplara bileşik kaplar denir. Bileşik kaplara sıvı konulduğunda, sıvı seviyeleri denge durumunda tüm kollarda aynı yüksekliğe ulaşır.

3. Açık Hava Basıncı (Atmosfer Basıncı) ☁️

Dünyamızı saran atmosfer tabakasındaki gazların ağırlığından dolayı yeryüzündeki tüm cisimler üzerine uyguladığı basınca açık hava basıncı veya atmosfer basıncı denir.

Torricelli Deneyi

İtalyan bilim insanı Evangelista Torricelli, 1643 yılında yaptığı deneyle açık hava basıncını ölçmüştür. Bu deneyde:

• Bir ucu kapalı, yaklaşık 1 metre uzunluğunda cam boru cıva ile doldurulmuştur.
• Borunun açık ucu, ağzı kapatılarak cıva dolu bir kaba ters çevrilip daldırılmıştır.
• Borudaki cıva seviyesi bir miktar alçalmış ve yaklaşık olarak 76 cm'de (deniz seviyesinde ve 0 °C'de) dengeye gelmiştir.

Bu deney, açık hava basıncının 76 cm yüksekliğindeki cıva sütununun yaptığı basınca eşit olduğunu göstermiştir.

Açık Hava Basıncının Birimleri

• Atmosfer (atm)
• Santimetre cıva (cmHg)
• Milimetre cıva (mmHg)
• Pascal (Pa) veya N/m²

Deniz seviyesinde ve 0 °C'de 1 atm = 76 cmHg = 760 mmHg'dir.

Açık Hava Basıncının Değişimi

• Rakım: Yükseklere çıkıldıkça atmosfer tabakasının kalınlığı azaldığı için açık hava basıncı azalır.
• Sıcaklık: Sıcaklık arttıkça hava genleşir ve yoğunluğu azalır, bu da açık hava basıncını düşürür.
• Nem: Nemli hava, kuru havadan daha hafiftir. Bu nedenle nem arttıkça açık hava basıncı düşer.

Açık Hava Basıncına Günlük Hayattan Örnekler

• Pipetle sıvı içilmesi.
• Vantuzların pürüzsüz yüzeylere yapışması.
• Lavabo pompalarının tıkanıklıkları açması.
• Meyve suyu kutularının içindeki pipetle hava çekildiğinde kutunun büzülmesi.

4. Kaldırma Kuvveti ⚓

Bir sıvı veya gaz içine bırakılan cisimlere, sıvı veya gaz tarafından yukarı yönde uygulanan kuvvete kaldırma kuvveti denir.

Arşimet Prensibi

Yunan bilim insanı Arşimet tarafından keşfedilen bu prensibe göre:

Bir sıvıya (veya gaza) tamamen veya kısmen batırılan bir cisme, sıvının (veya gazın) uyguladığı kaldırma kuvveti, cismin batan hacminin yer değiştirdiği sıvının (veya gazın) ağırlığına eşittir.

Kaldırma Kuvvetinin Formülü

Kaldırma kuvveti aşağıdaki formülle hesaplanır:

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

Burada:

• \(F_k\): Kaldırma kuvvetidir. Birimi Newton (N)'dur.
• \(V_{batan}\): Cismin sıvıya batan kısmının hacmidir. Birimi metreküp (m³)'tür.
• \(d_{sıvı}\): Sıvının yoğunluğudur. Birimi kg/m³'tür.
• \(g\): Yer çekimi ivmesidir. Birimi N/kg veya m/s²'dir.

Cisimlerin Sıvılardaki Denge Durumları

Bir cismin sıvı içinde yüzme, askıda kalma veya batma durumları, cismin yoğunluğu ile sıvının yoğunluğu arasındaki ilişkiye bağlıdır:

Durum	Yoğunluk İlişkisi	Kaldırma Kuvveti ve Ağırlık İlişkisi
Yüzme	\( d_{cisim} < d_{sıvı} \)	\( F_k = G_{cisim} \) (Cisim ağırlığının bir kısmını taşıdığı için)
Askıda Kalma	\( d_{cisim} = d_{sıvı} \)	\( F_k = G_{cisim} \)
Batma	\( d_{cisim} > d_{sıvı} \)	\( F_k < G_{cisim} \)

Önemli Not: Bir cisme etki eden kaldırma kuvveti, cismin tamamının hacmine değil, sıvının içine batan kısmının hacmine bağlıdır.

Kaldırma Kuvvetine Günlük Hayattan Örnekler

• Gemilerin suda yüzmesi (yoğunlukları sudan büyük olmasına rağmen içlerindeki hava boşlukları sayesinde ortalama yoğunlukları suyun yoğunluğundan küçük olur).
• Denizaltıların su altında batıp çıkması (balast tanklarına su alarak veya su boşaltarak yoğunluklarını değiştirirler).
• Sıcak hava balonlarının havada yükselmesi (içindeki sıcak havanın yoğunluğu dışarıdaki soğuk havadan daha küçüktür).
• Yumurtanın tuzlu suda yüzmesi, tatlı suda batması (tuzlu suyun yoğunluğu tatlı sudan daha fazladır).