Sıvıların Kaldırma Kuvveti Nelere Bağlıdır?

KALDIRMA KUVVETİ VE YOĞUNLUK KAVRAMI

Sizce 1 kilo pamuk mu daha ağırdır, yoksa 1 kilo demir mi?

Çoğunuzdan demir seslerini duyar gibi oldum.Tabi ki ikisi de aynı ağırlıktadır.Tek fark 1 kilo pamuk 1 kilo demire oranla daha fazla yer veya alan kaplar.Yani pamuğun hacmi daha fazladır.

Bu örnekten yola çıkarak şimdi yoğunluk kavramını biraz daha açalım.Yoğunluğu öğrenmeden önce kütle ve hacim kavramlarını açıklayalım.



Kütle madde miktarı demek iken, hacim o maddenin kapladığı alan anlamına gelir.Bu nedenle hacim şekil ile alakalıdır.O şekilin ya da maddenin içerisinin ne ne ölçüde kütle ile dolduğu ise yoğunluğu ifade eder. Bir başka deyişle, yoğunluk birim hacimdeki madde miktarıdır.Birim hacimde ne kadar çok madde varsa o madde o kadar yoğundur.Tam tersine bir maddenin kütlesi az olup hacmi yani kapladığı alan arttıkça o maddenin yoğunluğu o kadar azalır. Formül vermeyi sevmem ama bir formül ile ifade edilecek olursa;

Şimdi yoğunluğun ya da bir başka deyişle özkütlenin ne demek olduğunu daha iyi anlamışızdır. Yoğunluğu fazla olana cisimler birim hacme göre daha ağır olduklarından sıvı içerisinde yoğunluğu küçük olan maddelere göre daha çok batarlar.Şimdi bu durumu daha iyi anlayacağımız bir örnek verelim.

NOT:Katı cisimlerin hacimlerini dereceli silindir yardımı ile kütlelerini terazi yardımı ile buluruz.

Zaten Arşimed`de öyle yapmıştır.Bir gün Kral Hiero huzuruna Arşimed`i çağırır ve “Tacım altından mı yoksa, başka bir maddeden mi yapılmış öğrenmem lazım bu zor işi sen yaparsın ama taca zarar vermeyeceksin” demiştir.Arşimed tacı eline almış ve evinin yolunu tutmuştur. Düşünmüş taşınmış ama bir sonuca ulaşamamıştır.Sonra dinlenmek için hamama giren Arşimed`in elinden düşen tas bir miktar suyu taşırmıştır.Bu durum karşısında kafasında ampüller parlayan(gerçi o zaman ampül henüz keşfedilmemişti ama)Arşimed “EUREKA” yani Türkçesi BULDUM nidaları ile Sirakuza şehrini çırılçıplak aşıp Kralın huzuruna çıkmış ve tacın altından olup olmadığını taca hiç zarar vermeden ispat etmiştir.

Peki Arşimed neyi buldu? Ya da tacın altından yapılıp yapılmadığını nasıl ispatladı?

İŞTE SORULARINIZIN CEVABI

Arşimed, tası suyun içine düşürdüğünde tasın batan hacmi kadar suyu dışarı taşırdığını bulmuştur.Yani geometrik şekilli olmayan katı bir maddenin hacmini nasıl hesaplayacağını bulan Arşimed taca hiç zarar vermeden tacın hacmini ölçmüş ondan sonra da tacı terazi de tartıp kütlesini ölçmüştür. Aynı işlemleri altın olduğunu bildiği som altın için de tekrarlayan Arşimed, ortaya çıkan kütle ve hacim değerlerini oranlamış ve iki sonucu karşılaştırıp tacın altından olup olmadığını ispatlamıştır.

Bu işlemleri yaptıktan sonra Arşimed som altının kütle ve hacim değerlerini oranladıktan sonra tacın kütle ve hacim değerlerini de oranlamıştır.

Yoğunluğun ayırt edici bir özellik olduğunun farkına varan Arşimed her iki maddenin de aynı olduğu sonucunu çıkarmıştır.

ŞİMDİ GELELİM SIVILARIN KALDIRMA KUVVETİ MESELESİNE;

Tonlarca ağırlığındaki gemilerin nasıl su üstünde kaldığını merak ettiniz mi?

Evet su, üzerindeki her cisme yukarı yönlü bir kuvvet uygular.Bu kuvvete kaldırma kuvveti denir.Şimdi gelelim başta sorduğumuz sorunun cevabına;
Bu gemiler tonlarca ağırlığında olmalarına rağmen içleri boşaltılarak ve alanları genişletilerek hacimleri arttırılır.Bu şekilde geminin yoğunluğu azaltılmış olur.Yoğunluğu azalan gemi demirden yapılmış olsa bile su üstünde yüzer.
Evet kaldırma kuvveti yukarı yönlü bir kuvvettir yani kaldırma kuvveti içerisindeki cisimleri olduğundan daha hafif gösterir. Bir başka deyişle ağırlığın etkisini azaltır.

Bir sıvı her cisme az ya da çok bir kaldırma kuvveti uygular.Tabi ki her cisme uygulanan kaldırma kuvvetinin değeri bir değildir. Sıvıların uyguladığı kaldırma kuvveti sıvının yoğunluğu ve cismin batan hacmine göre değişir.
1-Batan hacim: Yüzen bir cismi su içine iyice batırdığımızda zorlanırız.Bu cismi birden serbest bıraktığımızda cisim hızla sıvı yüzeyine çıkar ve fırlar. Çünkü cimin batan hacmi arttığında dolayı cisme uygulanan kaldırma kuvveti de artmıştır.

2-Sıvının yoğunluğu: Yüzen bir cismi su içerisine batırırken mi, yoksa daha yoğun olan balın içine batırırken mi zorlanırız? Tabi daha yoğun ola bal içerisinde daha zorlanırız. Çünkü bal daha yoğun olduğundan cisme daha fazla kaldırma kuvveti uygulayacaktır.

ETKİNLİK:

Bir yumurtayı saf su içerisine bıraktığımızda yumurtaya uygulanan kaldırma kuvveti yumurtanın ağırlığından daha az olduğu için yumurta suya batar.Ama suya tuz eklendiğinde suyun yoğunluğu artar.Bu nedenle yumurtaya uygulanan kaldırma kuvveti de artar ve yumurta tuzlu içerisinde yüzmeye başlar.

................................................................................................................................
YÜZME-BATMA DURUMLARI
Bir cismin yoğunluğu sıvının yoğunluğundan fazla ise cisim sıvı içinde batar.
Bir cismin yoğunluğu sıvının yoğunluğuna eşit ise cisim sıvı içinde askıda kalır.
Bir cismin yoğunluğu sıvının yoğunluğundan küçük ise cisim sıvı içinde yüzer.

X,Y ve Z cisimlerinin yoğunluklarını karşılaştıralım.
X cisminin yoğunluğu suyun yoğunluğunda
küçüktür.

ŞİMDİ CİSİMLERE UYGULANAN KALDIRMA KUVVETLERİNİ KIYASLAYALIM
Bu kıyası yapabilmek için bize bazı ipuçları gereklidir.
Daha öncede öğrendiğimiz gibi bir maddeye uygulanan kaldırma kuvvetini hesap edebilmemiz için cismin havadaki ağırlığı ile sıvı içerisindeki ağırlığının farkını bulmamız gerekir ya da cismin taşırma kabından taşırdığı sıvının ağırlığını ölçmemiz gerekir.
Çoğu zaman sorularda bunların dışında karşılaştırma yapmamız istenmektedir.Bu tarz yorum sorularında yapmamız gereken şey bildiğimiz bilgilerden farklı değildir.Kaldırma kuvveti sıvının yoğunluğu ve batan hacme göre değişiyordu.Bu değişkenlere bakarak soruları çözebiliriz. Bunların dışında size bazı ipuçları verelim...

X,Y ve Z cisimlerinin hacimleri eşit ise;

Batan hacimlerini kıyaslamamız, kaldırma kuvvetlerini kıyaslamamız anlamına gelir. Yani Y ve Z`ye uygulanan kaldırma kuvvetleri eşit, X`in batan hacmi az olduğundan X`e uygulanan kaldırma kuvveti daha küçüktür.(aman ha X`e daha fazla kaldırma kuvveti uygulanır ondan dolayı yüzüyordur gibi bir sonuç çıkarmayın bu sonuç yanlıştır.)
FX

X,Y ve Z cisimlerinin kütleleri eşit ise;

Bu durumda ise cisimlerin dengede olup olmamalarını Kontrol etmemiz gerekir.Çünkü Fen`de bir cisim
dengede ise o cisme uygulanan kuvvetler birbirine eşittir.Yani bir cisim dengede ise cisme uygulanan
kaldırma kuvveti cismin ağırlığına eşittir. Buradan  hareketle;X ve Y cisimleri dengede olduğundan
her ikisi içinde uygulanan kaldırma kuvvetleri kendi ağırlıklarına eşittir. Z`ye uygulanan kaldırma
kuvveti ise kendi ağırlığından küçüktür. Z`nin ağırlığı daha büyük olduğundan dolayı Z suda batmıştır.

(Z cismi battığından dolayı yere bir kuvvetle temas etmektedir.Bu yüzden Z cismi dengede sayılmaz.)
G=Ağırlığı simgeleyen harf olsun;
GX=FX                GY=FY                GZ>FZ
Kütleleri eşit olduğundan X ve Y`ye uygulanan kaldırma kuvvetleri birbirine eşittir, Z`ye uygulanan kaldırma kuvveti en azdır.

FX=FY>FZ

SONUÇ OLARAK

1- Bir maddeye sıvı içerisinde yukarı yönlü bir kuvvet uygulanır.Bu kuvvete kaldırma kuvveti denir.
2-Kaldırma kuvveti cismin sıvı içerisinde daha hafif görünmesine neden olur.
3-Bir cisim dengede ise cisme uygulanan kaldırma kuvveti cismin kendi ağırlığına eşittir.
4-Bir cisim battığı hacim kadar sıvı taşırır ve taşan sıvının ağırlığı daima kaldırma kuvvetine eşittir.
5-Yüzen ve askıda kalan cisimler dengede olduklarından, taşırdıkları sıvı hem kaldırma kuvvetlerini hemde ağırlıklarını verir.
6- Bir maddenin kütlesini hacmine oranladığımızda yoğunluğunu buluruz.Yoğunluk ise maddeler için ayırt edici bir özelliktir.

SUDAN KÖPRÜ OLUR MU?
Bildiğimiz gibi köprüler kara taşıtlarının geçmesi içindir. Ama Almanya`nın Magdeburg şehrinde Elbe Nehrinin üzerinde bir köprü var ki köprü üstünde de su var yani su köprüsü... ve üstünden otomobiller değil gemiler geçiyor.Peki tonlarca ağırlığındaki gemiler köprü üzerinden geçmesine rağmen köprü nasıl oluyor da çökmüyor?

Cevap gayet açık ve basit. Bu köprüyü yapan mühendisin yapması gereken tek hesap köprünün ne kadar suyu taşıyacağını bulmak bundan sonrası Fen Bilimlerine kalıyor. Çünkü bir cisim askıda veya yüzüyorsa kendi ağırlığı kadar sıvıyı taşırıyordu.Buradan hareketle diyebiliriz ki; köprü üstüne gemi geldiği zaman kendi ağırlığı kadar suyu köprü dışına iter yani köprü üstündeki ağırlık aynı kalmış olur.Bu şekilde köprü de yıkılmamış olur.

Hazırlayan: Şenol Nardal

Bu ders notunu Word olarak indirin.