10. Sınıf Fizik 2. Ünite: Basınç ve Kaldırma Kuvveti
1. BASINÇ NEDİR?
Basınç, bir yüzeye dik olarak uygulanan kuvvetin, o yüzeyin birim alanına düşen miktarıdır.
Bir başka deyişle basınç, “kuvvetin yüzeye etkisinin yoğunluğu” olarak da düşünülebilir.
Basınç P harfi ile gösterilir ve Pascal (Pa) birimiyle ölçülür. P=FSP = \frac{F}{S}P=SF
Burada:
- P: Basınç (Pa)
- F: Kuvvet (N)
- S: Kuvvetin uygulandığı yüzey alanı (m²)
2. KATI BASINCI
Katı cisimlerin uyguladığı basınç, temas ettikleri yüzey alanına ve ağırlıklarına bağlıdır.
Bir cisim yüzeye ne kadar az alanla temas ederse, uyguladığı basınç o kadar büyük olur.
Katı Basıncı Formülü
P=GSP = \frac{G}{S}P=SG
Burada:
- G: Cisim ağırlığı (N)
- S: Temas yüzey alanı (m²)
Örnek:
Bir öğrencinin yere bastığında ayakkabısının taban alanı 0,025 m², ağırlığı ise 600 N olsun.
Uygulanan basınç: P=6000.025=24 000 PaP = \frac{600}{0.025} = 24\,000 \, PaP=0.025600=24000Pa
Eğer aynı öğrenci ince topuklu ayakkabı giyerse, temas alanı azalır ve basınç artar.
Bu nedenle, kar üzerinde yürürken kar ayakkabısı giyilir — çünkü yüzey alanı arttırılarak basınç azaltılır.
3. BASINCI ETKİLEYEN FAKTÖRLER
a) Kuvvetin büyüklüğü:
Kuvvet (ağırlık) arttıkça basınç artar.
Örneğin, bir sandalyeye oturan kişi kalkıp üstüne çıkarsa, ağırlık arttığı için yüzeye uyguladığı basınç artar.
b) Yüzey alanı:
Yüzey alanı arttıkça basınç azalır.
Bu yüzden tankların ve kar araçlarının paletleri geniş yapılır.
c) Yerçekimi ivmesi:
Basınç, dolaylı olarak yerçekimi ivmesine bağlıdır. Ay’da yerçekimi daha küçük olduğu için aynı cismin Ay’daki basıncı Dünya’dakinden az olur.
4. SIVI BASINCI
Sıvılar da tıpkı katılar gibi bulundukları kabın tabanına ve yan yüzeylerine basınç uygular.
Ancak sıvılarda basınç, derinliğe ve sıvının yoğunluğuna bağlı olarak değişir.
Sıvı Basıncı Formülü
P=h⋅d⋅gP = h \cdot d \cdot gP=h⋅d⋅g
Burada:
- h: Sıvının derinliği (m)
- d: Sıvının yoğunluğu (kg/m³)
- g: Yerçekimi ivmesi (m/s²)
Sıvı Basıncının Özellikleri
- Sıvı basıncı derinlikle doğru orantılıdır.
Yani derinlik arttıkça basınç artar. - Sıvı basıncı yoğunlukla doğru orantılıdır.
Aynı yükseklikte cıva (Hg) içindeki basınç, suya göre daha fazladır. - Aynı derinlikteki noktaların basıncı eşittir.
- Sıvılar basıncı her yönde iletir (Pascal Prensibi).
Örnek:
Yoğunluğu 1000 kg/m³ olan suyun, 5 m derinliğindeki basıncı: P=1000⋅9.8⋅5=49 000 PaP = 1000 \cdot 9.8 \cdot 5 = 49\,000 \, PaP=1000⋅9.8⋅5=49000Pa
5. PASCAL PRENSİBİ
Fransız bilim insanı Blaise Pascal, sıvıların basıncı her yöne eşit olarak ilettiğini keşfetmiştir.
Bu prensip, hidrolik sistemlerin temelidir.
Pascal Prensibi:
Kapalı bir sıvıya dışarıdan uygulanan basınç, sıvının her noktasına ve kabın iç yüzeyine aynı büyüklükte iletilir.
Hidrolik Sistemlerde Kullanımı
Otomobil fren sistemleri, hidrolik krikolar, asansörler ve hidrolik presler bu ilkeye göre çalışır.
Hidrolik Sistemlerde Kuvvet İlişkisi
F1S1=F2S2\frac{F_1}{S_1} = \frac{F_2}{S_2}S1F1=S2F2
Bu ilişki sayesinde küçük bir kuvvetle çok daha büyük bir kuvvet elde edilir.
6. GAZ BASINCI
Gazlar da, bulundukları kabın çeperlerine çarparak basınç uygularlar.
Gaz basıncı, moleküllerin kinetik enerjisine ve sıcaklığa bağlıdır.
Gaz basıncı Barometre veya Manometre ile ölçülür.
Atmosfer Basıncı
Dünya atmosferi, üzerimizdeki hava sütununun ağırlığından dolayı bir basınç uygular.
Bu basınca atmosfer basıncı denir.
1 atmosfer (atm) = 101 325 Pa
Atmosfer basıncı yükseklere çıkıldıkça azalır, deniz seviyesinde maksimumdur.
Toriçelli Deneyi
İtalyan bilim insanı Evangelista Torricelli, cıva dolu bir tüpü ters çevirerek yaptığı deneyde, atmosfer basıncını ölçmüştür.
Tüp içindeki cıva seviyesi 76 cm’de sabit kalmıştır.
Bu, 1 atmosfer basınca karşılık gelir.
7. KALDIRMA KUVVETİ (ARŞİMET PRENSİBİ)
Bir cisim sıvı veya gaz içinde tamamen ya da kısmen batırıldığında, yukarı yönlü bir kuvvetle karşılaşır.
Bu kuvvete kaldırma kuvveti (Fᴋ) denir.
Kaldırma Kuvvetinin Tanımı:
“Bir sıvı içinde bulunan cisme, sıvının uyguladığı yukarı yönlü kuvvet.”
Kaldırma Kuvveti Formülü
Fk=Vb⋅ds⋅gF_k = V_b \cdot d_s \cdot gFk=Vb⋅ds⋅g
Burada:
- V_b: Cismin batırılan hacmi (m³)
- d_s: Sıvının yoğunluğu (kg/m³)
- g: Yerçekimi ivmesi (m/s²)
Arşimet Prensibi:
Bir cisme etki eden kaldırma kuvveti, cismin batırdığı sıvının ağırlığına eşittir. Fk=GsıvıF_k = G_{sıvı}Fk=Gsıvı
Kaldırma Kuvvetinin Yönü:
Her zaman aşağıdan yukarıya doğrudur.
8. CİSİMLERİN SIVIDA DURUMU
Bir cismin sıvı içerisindeki durumu, cismin ağırlığı ile kaldırma kuvvetinin büyüklüklerine göre değişir.
- Yüzen Cisim:
Fk=GF_k = GFk=G
Cisim yüzeyde dengede kalır.
(Yoğunluğu sıvıdan küçüktür.) - Askıda Kalan Cisim:
Fk=GF_k = GFk=G
Cisim sıvı içinde herhangi bir noktada durabilir.
(Yoğunluğu sıvıya eşittir.) - Batan Cisim:
Fk<GF_k < GFk<G
Cisim dibe batar.
(Yoğunluğu sıvıdan büyüktür.)
9. KALDIRMA KUVVETİNİ ETKİLEYEN FAKTÖRLER
- Sıvının yoğunluğu:
Yoğunluğu büyük sıvılarda kaldırma kuvveti daha fazladır.
Örneğin, tuzlu suda yüzmek tatlı sudan daha kolaydır. - Batırılan hacim:
Cisim ne kadar batarsa, kaldırma kuvveti o kadar artar. - Yerçekimi ivmesi (g):
g arttıkça kaldırma kuvveti de artar.
10. KALDIRMA KUVVETİ ÖRNEĞİ
Bir cismin hacmi 0,002 m³, sıvı yoğunluğu 1000 kg/m³ ise: Fk=Vb⋅ds⋅g=0.002⋅1000⋅9.8=19.6 NF_k = V_b \cdot d_s \cdot g = 0.002 \cdot 1000 \cdot 9.8 = 19.6 \, NFk=Vb⋅ds⋅g=0.002⋅1000⋅9.8=19.6N
Cismin ağırlığı 25 N ise, net kuvvet: Fnet=G−Fk=25−19.6=5.4 NF_{net} = G – F_k = 25 – 19.6 = 5.4 \, NFnet=G−Fk=25−19.6=5.4N
Bu durumda cisim batar, çünkü ağırlığı kaldırma kuvvetinden fazladır.
11. BASINÇ VE KALDIRMA KUVVETİ ARASINDAKİ İLİŞKİ
Sıvı içindeki bir cisme uygulanan kaldırma kuvveti, cismin alt ve üst yüzeylerine etki eden basınç farkından doğar.
Alt yüzeydeki basınç, üst yüzeydekinden daha büyüktür.
Bu fark, cismin yukarıya doğru itildiğini yani kaldırma kuvvetinin oluştuğunu gösterir.
12. GERÇEK YAŞAMDA KALDIRMA KUVVETİ UYGULAMALARI
- Gemilerin yüzmesi: Gemiler suya batarken kendi ağırlıklarına eşit su kütlesini yer değiştirir. Bu sayede dengede kalırlar.
- Balonların yükselmesi: Helyum veya sıcak hava, havadan daha az yoğun olduğu için kaldırma kuvvetiyle yükselir.
- Denizaltılar: İçlerindeki su miktarını ayarlayarak yoğunluklarını değiştirir; böylece batıp çıkabilirler.
- Hidrometreler: Sıvı yoğunluğunu ölçmek için kaldırma kuvvetinden yararlanılır.
13. BASINÇ VE KALDIRMA KUVVETİNE İLİŞKİN DENEYLER
- Pascal Deneyi: İçinde delikler açılmış su kabına dışarıdan basınç uygulandığında, suyun her delikten eşit şekilde fışkırması Pascal Prensibi’ni gösterir.
- Arşimet Deneyi: Su dolu kaba batırılan cismin yer değiştirdiği suyun ağırlığı, cismin kaldırma kuvvetine eşittir.
14. ÖZET
| Kavram | Formül | Bağımlı Olduğu Büyüklükler | Yön |
|---|---|---|---|
| Katı Basıncı | P=GSP = \frac{G}{S}P=SG | Ağırlık, Yüzey Alanı | Yüzeye dik |
| Sıvı Basıncı | P=h⋅d⋅gP = h \cdot d \cdot gP=h⋅d⋅g | Derinlik, Yoğunluk, g | Her yöne |
| Kaldırma Kuvveti | Fk=Vb⋅ds⋅gF_k = V_b \cdot d_s \cdot gFk=Vb⋅ds⋅g | Batırılan hacim, Yoğunluk, g | Yukarı |
| Pascal Prensibi | F1S1=F2S2\frac{F_1}{S_1} = \frac{F_2}{S_2}S1F1=S2F2 | Basınç iletimi | Aynı yönde |
15. SONUÇ
Basınç ve kaldırma kuvveti, hem doğada hem teknolojide son derece önemli iki kavramdır.
Basınç sayesinde gazlar ve sıvılar davranışlarını belirler, kaldırma kuvveti ise yüzme, uçma ve dengede kalma olaylarını açıklar.
Bu konuları kavramak, günlük yaşamda karşımıza çıkan birçok olayı anlamayı kolaylaştırır:
- Gemilerin su üzerinde durması,
- Dalgıçların batması ya da yükselmesi,
- Hidrolik sistemlerin çalışması,
- Hava basıncının hava durumunu etkilemesi…
Hepsi bu iki temel ilkenin, yani Basınç ve Kaldırma Kuvvetinin sonucudur.
