2. ÜNİTE BASINÇ VE KALDIRMA KUVVETİ ÖZET
1. BÖLÜM BASINÇ
2.1.1. Katı, Sıvı ve Gazlarda Basınç Kuvveti
Katılarda Basınç
Bir cisim sünger üzerine önce geniş yüzeyi üzerine sonra
dar yüzeyi üzerine konulursa sünger yüzeyinde meydana
getirdikleri şekil değişikliği Şekil’deki gibi olur.
Uygulandığı yüzey üzerinde farklı etkiler oluşturan kuvvete basınç
kuvveti denir.
“Kuvvetin büyüklüğü/ temas yüzey alanı” ifadesi basıncı
ifade eder.
Birim yüzeye dik olarak etkiyen kuvvetin büyüklüğüne
basınç denir ve P sembolü ile gösterilir.
Buna göre basıncın değerini veren bağıntı;
P: Basınç,
Fdik: Yüzeye dik olarak etkiyen kuvvetin büyüklüğü,
A: Kuvvetin etkidiği yüzeyin alanıdır.
Basıncın birimi verilen bağıntıdan bulunabilir. Uluslararası Birim Sistemi (SI)’nde kuvvetin birimi (N), yüzey alanının birimi (m2 ) olduğuna göre basıncın birimi N/m2 olur. Bu birim Pascal (Paskal) olarak adlandırılır ve Pa simgesi ile gösterilir. Basınç skaler bir büyüklüktür.
Eğim açısı büyüdükçe yapılan basınç azalır. Eğimli bir yüzey üzerinde bulunan cismin ağırlığının yüzeye dik bileşeni her zaman ağırlıktan küçüktür.
Durgun Sıvıların Basıncı
Sıvılar da katılar gibi basınç uygular. Yapılan araştırmalar suyun derinliklerine inen dalgıçların ani basınç değişikliğinden dolayı akciğerlerinin zarar gördüğünü göstermiştir. Dalgıç uzun süre su altında kalırsa ya da çok derinlere inerse suyun uyguladığı basınç kanındaki havanın çözünmesine sebep olur.Eğer dalgıç çok kısa sürede su yüzeyine çıkarsa kanındaki çözünmüş gazlar açığa çıkar. Özellikle kanda azot gazı kabarcıkları oluşur ve akciğerleri zarar görür. Bu olay vurgun yeme olarak adlandırılır. Ölümcül sonuçları da olan bu olayın meydana gelmemesi için bilinçsiz dalış yapılmaması gerekir.
Durgun sıvıların basıncı nasıl hesaplanır?
Durgun sıvılar katılarda da olduğu gibi ağırlıklarından dolayı basınç uygular. Bu basıncın değeri sıvı ağırlığının, sıvının temas ettiği yüzey alanına bölünmesiyle bulunur.
P = Silindirin içindeki h yüksekliğindeki silindir biçimli sıvı sütununun ağırlığı / silindir tabanının alanı şeklinde yazılır.
Eşitlikte gerekli işlemler yapıldığında sıvı basıncını hesaplamamıza yarayan bağıntı
şeklinde elde edilir.
Durgun sıvı basıncı sıvının açık yüzeyine olan uzaklığına, sıvının yoğunluğuna ve yerin çekim alanı şiddetine bağlıdır. Sıvının kabın açık yüzeyine olan uzaklığı arttıkça sıvı basıncı artar.
Pascal Prensibi
Bir kaptaki sıvının serbest yüzeyine uygulanan basınç, bu sıvı tarafından, sıvının temas ettiği tüm noktalara aynen ve dik olarak iletilir.
Pascal Prensibi’ne göre suyun altında 10 metre derinlikte basınç, deniz seviyesindeki basıncın iki katıdır. Suyun derinliğindeki her 10 metrelik artış dalgıç üzerindeki basınç 100.000 Pa kadar artar.
- Pascal prensibi kapalı kaplarda bulunan sıvılar için geçerlidir.
- Pascal prensibine göre, sıvılar basıncı aynen iletirken basınç kuvvetini aynen iletemezler.
- Pascal prensibine göre sıvılar basıncın büyüklüğünü değiştirmeden yön ve doğrultusunu değiştirirler.
- Pascal prensibine göre basıncın etki ettiği yüzeyin yeri (konumu) ve büyüklüğü değiştirilerek istenilen yönde ve büyüklükte basınç kuvvetleri elde edilebilir.
Katı ve sıvı maddeler gibi gaz maddeler de içerisinde bulundukları kaba basınç uygular. Bu basınç, gaz moleküllerinin devamlı hareket hâlinde olmalarından kaynaklanır. Gaz maddeler, gaz moleküllerinin ağırlıkları ve moleküllerin sürekli kabın iç çeperlerine çarpmaları sonucunda basınç oluşturur. Gaz maddelerde, gazın bulunduğu kabın iç yüzeyindeki birim yüzeye birim zamanda çarpma sayısı ne kadar fazla ise basınç da o kadar fazladır.
Üfleyerek balon şişirildiğinde içindeki hava taneciklerinin sayısı artacağından balonun iç yüzeyine çarpan tanecik sayısı da artar. Balona ne kadar hava üflenirse balon da o kadar büyük olacaktır. Balonun iç yüzeyinde her noktaya taneciklerin çarpma sayısı eşit olacağından balon küresel bir şekil alır.
Hava moleküllerinin birim yüzeye uyguladığı dik kuvvete açık hava basıncı veya atmosfer basıncı denir.
Açık hava basıncıyla vücudumuza yaklaşık 150.000 N’ luk kuvvet uygulanır. Oldukça büyük olan bu kuvvet vücut içi sıvı basıncı ile dengelendiği için hissedilmez.
Açık hava basıncını ilk kez ölçen bilim insanı Evangelista Torricelli (Evancelista Toriçelli)’dir.
Basınç Etkisiyle Çalışan Ölçüm Araçları
Barometre: Açık hava basıncını ölçmeye yarayan araç- tır. Barometrelerin metal ve cıvalı olmak üzere iki çeşidi vardır. Torricelli’nin açık hava basıncını ölçmek için kurduğu düzenek basit bir cıvalı barometredir.Metal barometreler ise ibreli barometre ve dijital barometre olmak üzere iki çeşidi vardır.
Manometre: Kapalı kaptaki gaz basıncını ölçmek için kullanılır. Sıvılı manometre ve metal manometre olmak üzere iki çeşidir vardır.
Altimetre ve batimetre: Altimetre bir tür barometredir. Bulunduğu yerin deniz yüzeyinden yüksekliğini açık hava basıncından faydalanarak metre cinsinden ölçer. Barometrenin özel bir hâli olan altimetreler hava basıncının deniz düzeyinden yükseldikçe azalacağı prensibine dayanarak çalışır. Altimetre, havacılıkta, dağcılıkta ve meteoroloji balonlarında kullanılmaktadır.
2.1.2. Akışkanlarda Akış Hızı ve Akışkan Basıncı Arasındaki İlişki
Sıvı ve gazlar hareketlidir. Bu nedenle sıvı ve gazlara akışkan denir. Su ve hava en iyi bilinen iki akışkan maddedir. Akan yani hareket hâlindeki sıvının basıncına da dinamik basınç adı verilir.
Su gibi akışkanların hızlı aktığı yerde, basıncın düştüğünü fark edip açıklayan bilim insanı Daniel Bernoulli'dir. İsviçreli bir matematikçi olan Bernoulli akışkanlar dinamiği konusunda çalışma yapan ilk bilim insanıdır. Bernoulli İlkesi olarak bilinen bu ilke;
- akışkanın düzgün akması
- akışkanın sıkışmaz olması koşuluyla geçerlidir.
Bir boruda akan akışkanın süratinin arttığı noktalarda basınç düşmesi olur.
Günlük Yaşamda Akışkanların Hızıyla Açıklanan Örnek Olaylar
1. Rüzgârlı havada şemsiyenin ters dönmesi: Yağmurlu ve rüzgârlı havalarda kullandığımız şemsiyeler ters döner. Bunun nedeni şemsiyenin üst ve altında açık hava basıncının farklı olmasıdır.
2. Uçağın Uçması: Kanadın şeklinden dolayı üstten geçen havanın hızı fazla, alttan geçen havanın hızı azdır. Bernoulli İlkesine göre kanadın alt kısmındaki açık hava basıncı büyük olacağından, uçak yukarı doğru yükselir.
3. Parfüm püskürtme aletinin çalışması: Parfüm pompasının sıkılması delikten havanın fışkırmasına neden olur. Bu durum boru içinde bulunan sıvı yüzeyindeki açık hava basıncının azalmasına neden olur. Bu nedenle yukarıya doğru yükselen sıvı orada hızı yüksek olan havaya zerrecikler olarak karışır ve dışarı püskürtülür.
4. Birbirinin yanından hızla geçen araçların birbirine doğru çekilmesi: Karayollarında özellikle uzun araçlar birbirinin yanından hızla geçerken sanki birbirlerini çekiyorlarmış gibi sarsıldıkları gözlenir. Araçların geçişi sırasında aralarında kısa bir süre oluşan dar koridordan hava hızla akar ve aralarındaki açık hava basıncı düşer. Bu durum araçların birbirlerine doğru itilmesine neden olur.
5. Damar tıkanıklığı (damar sertliği): Vücudumuzdaki kan sürekli akan bir sıvıdır. Kalbimiz bir pompa gibi çalışırken kanın vücudumuzda taşınmasını sağlayan damarlar da boru görevi görür. Sigarada bulunan nikotin, alkol kullanımı ve yanlış beslenme sonucunda kan damarlarının iç yüzünde plak denilen katı birikimler oluşur. Damarda oluşan bu birikimler sonucu damarın esnekliği azalırken kanın akış yolu da daralır.
6. Tansiyon ve tansiyonun ölçümü: Tansiyon, bütün atardamar sistemi içerisindeki kan basıncı olarak tanımlanır. Büyük tansiyon, kalbin kanı atardamar sistemine pompaladığında oluşan kan basıncıdır. Küçük tansiyon ise kalp gevşemeye geçtiğinde oluşan kan basıncıdır yani kısacası kalbin kasılması sırasında büyük tansiyon, gevşemesi sırasında ise küçük tansiyon oluşmaktadır.Tansiyon ölçüm aleti ile ölçüm yapmak için önce kişinin koluna içine hava doldurulabilen bir manşon sarılır. Bu manşona hava dolduran bir pompa ve dolan havayı da boşaltan bir musluk bağlıdır.
2. BÖLÜM KALDIRMA KUVVETİ
2.2.1. Durgun Akışkanlarda Kaldırma Kuvveti
Kütlesi tonlarca olan gemilerin su üstünde durmasını,uçan balonların havada kalmasını sağlayan kuvvet kaldırma kuvvetidir.
Bilim tarihinde durgun akışkanların cisimlere uyguladığı kaldırma kuvvetinin varlığını ilk fark eden ve kanıtlayan bilim insanı Yunanlı Archimedes (Arşimet)'tir. Archimedes, kendi adıyla anılan yasayı deneysel olarak bulmuştur. Kaldırma kuvvetinin hesaplanmasında kullanılan matematiksel bağıntı ise basınç kavramının açıklanmasından sonra türetilmiştir.
Peki, kaldırma kuvvetinin büyüklüğü nelere bağlıdır?
Bir kaptaki sıvıya, sıvıda çözünmeyen katı bir cisim bırakıldığında işlemleri kolaylaştırmak için cismin düzgün geometrik şekle sahip silindir şeklinde olduğunu varsayalım.Sıvı içindeki silindirin tüm yüzeylerine sıvı tarafından bir kuvvet uygulanır.Bu durumda sıvı içerisindeki cismin alt ve üst yüzeylerine etkiyen basınç, dolayısıyla basınç kuvveti farklıdır. Cismin alt ve üst yüzeylerine etkiyen sıvı basınç kuvveti için,
eşitlikleri elde edilir. Bu eşitliklerdeki;
h1 : Silindirin üst yüzeyinin sıvı yüzeyine yüksekliği,
h2 : Silindirin alt yüzeyinin sıvı yüzeyine yüksekliği,
h: küpün yüksekliği (h= h2 –h1 ),
A: Silindirin alt ve üst yüzeyinin alanı,
dsıvı: Sıvının öz kütlesi,
g: Yer çekim alanının şiddetidir
Basınç kuvveti farkı;
F2 -F1 = h2 .dsıvı. g.A–h1 .dsıvı.g.A
= (h2 – h1 ).g. A.dsıvı
= h.A.g.dsıvı
olur. Eşitlikteki h.A silindirin batan kısmının hacmine eşittir. Buna göre
F2 –F1 = Vbatan.dsıvı.g eşitliği elde edilir.
Yönü yukarı doğru olan bu bileşke kuvvete kaldırma kuvveti(Fk ) adı verilir. Buna göre kaldırma kuvvetinin büyüklüğü;
Fk = Vbatan.dsıvı.g bağıntısı ile hesaplanır.
Şimdi sıvı içerisine bırakılan bir cismin sıvı içindeki durumunu belirleyen şartları sırasıyla inceleyelim:
1. Yüzme şartı
Cisim sıvı içerisine bırakıldığında bir kısmı dışarıda bir kısmı da sıvı içinde kalacak biçimde dengede kalıyorsa cisim yüzüyor denir.
2. Askıda kalma şartı
Cisim sıvı içerisine bırakıldığında tamamı sıvı içerisinde, kabın çeperlerine değmeden herhangi bir yerde bulunabilir. Cisim dengede kalıyorsa cisim sıvı içerisinde askıda kalmıştır denir.
3. Batma şartı
Cisim sıvı içerisine bırakıldığında kabın dibine iniyorsa cisim sıvı içerisinde batmıştır denir.
2. ÜNİTEDE BİTTİ :))
ÇIKMIŞ SORULAR ÜZERİNDEN TESTLERİ ÇÖZMEYİ İHMAL ETMEYİNİZ...
0 Yorumlar