Sıvılarda Basınç, Kaldırma Kuvveti ve Akışkanlar

Konu Özeti

Sıvılar ve gazlar birlikte akışkan olarak adlandırılır. Bu konuda basıncın ne olduğunu, sıvılarda basıncın derinlikle nasıl değiştiğini, kaldırma kuvvetinin neye bağlı olduğunu ve akışkanlarda sürat ile basınç arasındaki ilişkiyi öğreneceksin. Barajlar, hidrolik krikolar, pipet ve uçak kanatları bu bilgilerle açıklanır. Konu ayrıca deney yapma ve çıkarım becerini geliştirir.

Temel Kavramlar

Basınç, birim yüzeye dik etki eden kuvvettir. Aynı kuvvet küçük bir yüzeye uygulanırsa basınç büyür. SI birimi pascal (Pa = N/m²) dır ve basınç skaler bir büyüklüktür.

P = F / A

• Katılar kuvveti doğrudan iletir; basınç yüzey alanına bağlıdır.
• Bıçağın keskin ucu ve çivinin sivri ucu: alan küçük, basınç büyük.
• Tank paletleri ve kar ayakkabıları: alan büyük, basınç küçük.

Günlük hayat: Kar üzerinde geniş tabanlı ayakkab Hi giyenler daha az batar, çünkü aynı ağırlık daha geniş alana yayılır.

Sıvılar ağırlıkları nedeniyle bulundukları kabın tabanına ve yan yüzeylerine basınç uygular. Sıvı basıncı derinlikle, sıvının özkütlesiyle ve yerçekimi ivmesiyle artar. Kabın şekline ve sıvı miktarına bağlı değildir.

P = h · d · g

• h: sıvı yüzeyinden derinlik (m), d: sıvının özkütlesi (kg/m³), g: yerçekimi ivmesi (N/kg).
• Aynı sıvıda aynı derinlikteki tüm noktalarda basınç eşittir.
• Sıvı basıncı her yönde etki eder.
• Birbirine bağlı kaplarda durgun aynı sıvının yüzeyleri aynı seviyededir.

Açık hava basıncı, atmosferi oluşturan gazların ağırlığının yeryüzündeki cisimlere uyguladığı basınçtır. Deniz seviyesinde değeri yaklaşık 76 cmHg, yani yaklaşık 10⁵ Pa kadardır. Yükseldikçe hava seyrekleştiği için açık hava basıncı azalır.

• Torricelli deneyinde cıva sütunu deniz seviyesinde yaklaşık 76 cm yükseklikte dengede kalır.
• Cıva sütununun yüksekliği tüpün eğimine, kalınlığına ya da cıva miktarına bağlı değildir.
• Yüksekliklere çıkıldıkça cıva sütunu kısalır.
• Pipetle içecek içme, vantuz ve su sürahisinde ters çevrilmiş bardak açık hava basıncıyla açıklanır.

Kaldırma kuvveti: Bir sıvıya batırılan cisme sıvı yukarı yönlü bir kuvvet uygular; buna kaldırma kuvveti denir. Cismin alt yüzeyindeki basınç üst yüzeyindekinden büyüktür, bu fark net bir yukarı kuvvet oluşturur. Arşimet prensibine göre kaldırma kuvveti, cismin yer değiştirdiği sıvının ağırlığına eşittir.

F_k = V_batan · d_sıvı · g

• Kaldırma kuvvetini batan hacim ve sıvının özkütlesi etkiler.
• Cismin kendi ağırlığı, şekli ve tamamen battıktan sonraki derinliği kaldırma kuvvetini değiştirmez.
• Dinamometreyle ölçüm: F_k = havadaki ağırlık − sıvıdaki görünür ağırlık.
• Taşan sıvı deneyinde taşan sıvının ağırlığı F_k'ya eşit bulunur.

Akışkanlarda sürat ve basınç (FİZ.9.3.7): Sıkıştırılamayan bir akışkan borudan geçerken birim zamanda geçen hacim, yani debi sabit kalır. Boru daraldığında akışkanın hızı artar ve boru çeperlerine yaptığı basınç azalır (Bernoulli ilkesi, nitel düzeyde).

A₁ · v₁ = A₂ · v₂

• Kesit alanı küçük yerde sürat büyük, basınç küçüktür.
• Kesit alanı büyük yerde sürat küçük, basınç büyüktür.
• Uçak kanadı, sprey ve yan yana giden araçların birbirine çekilmesi bu ilkeyle açıklanır.