Basınç / Fiziksel Olaylar
Bunları biliyor olman gerekiyor
Basınç konusuna girmeden önce üç kavramı netleştirelim.
Kuvvet: bir cismi iten, çeken ya da bir yüzeye bastıran etki. Birimi Newton (N). Bir cismin ağırlığı da yer çekiminden kaynaklanan bir kuvvettir ve yine N ile ölçülür.
Alan: bir yüzeyin kapladığı büyüklük. Küçük yüzeyler için cm², büyük yüzeyler için m² kullanılır. 1 m² = 10.000 cm² olduğunu unutma.
Bu iki büyüklüğü bir arada düşünmeyi öğreneceğiz: aynı kuvvet, farklı büyüklükteki yüzeylere farklı etki eder. İşte basınç tam olarak bunu anlatır.
Basınç nedir?
Bir yüzeye dik olarak etkiyen kuvvetin, o yüzeyin birim alanına yaptığı etkiye basınç denir.
Aynı kuvveti düşün: parmağınla masaya bastığında pek bir şey olmaz, ama aynı kuvveti bir iğne ucuyla uygularsan iğne batar. Kuvvet değişmedi, kuvvetin uygulandığı alan küçüldü — sonuçta o küçük alana düşen etki, yani basınç, çok arttı.
Basıncın birimi Pascal'dır (Pa). 1 Pascal, 1 metrekarelik bir yüzeye dik olarak etkiyen 1 Newton'luk kuvvetin oluşturduğu basınçtır. Bu yüzden Pascal'ı N/m² olarak da görebilirsin; ikisi aynı şeyi ifade eder.
F.8.3.1.1
Katı basıncını etkileyen değişkenler
Katı bir cismin bir yüzeye yaptığı basınç iki şeye bağlıdır: cismin o yüzeye uyguladığı kuvvete (çoğunlukla ağırlığına) ve kuvvetin uygulandığı temas yüzeyinin alanına.
Kuvvet arttıkça basınç da artar: sırtına daha ağır bir çanta taktığında omzuna yaptığı basınç artar, çünkü kuvvet büyüdü, alan aynı kaldı.
Alan arttıkça basınç azalır: aynı ağırlıktaki bir insan kar üstünde normal ayakkabıyla batarken, geniş tabanlı kar ayakkabısıyla batmaz. Ağırlık (kuvvet) değişmedi, ama yayıldığı alan büyüdüğü için birim alana düşen etki küçüldü.
Bu deneyle keşfedilir: küçük tuğlaları önce dar yüzeyi, sonra geniş yüzeyi zemine gelecek şekilde koyarsan, dar yüzeydeki izin daha derin olduğunu görürsün.
F.8.3.1.1
Kar botu ile normal ayakkabı
Bir kişinin normal ayakkabısının taban alanı 200 cm²'dir. Aynı kişi karda batmamak için geniş tabanlı bir kar botu giyiyor; bu botun taban alanı 800 cm²'dir. Kişinin ağırlığı iki durumda da aynı kalıyor. Kar botuyla yere uyguladığı basınç, normal ayakkabıyla uyguladığı basıncın kaçta kaçıdır?
- Ağırlık (kuvvet) değişmiyor; değişen tek şey temas alanı.
- Taban alanı 200 cm²'den 800 cm²'ye çıkıyor, yani alan 4 katına çıkıyor.
- Alan arttıkça basınç ters orantılı olarak azalır: alan 4 katına çıkarsa basınç 4'te birine iner.
- Oranı doğrudan da yazabiliriz: eski alan / yeni alan = 200/800 = 1/4.
- Kar botuyla uygulanan basınç, normal ayakkabıyla uygulanan basıncın 1/4'ü kadardır.
F.8.3.1.1
Alan büyüyünce basınç da büyür sanma
Bu konudaki en sık hata, "alan büyüdükçe basınç da büyür" diye düşünmek. Doğrusu tam tersi: kuvvet sabitken alan büyüdükçe basınç KÜÇÜLÜR, alan küçüldükçe basınç BÜYÜR.
Bir örnekle akılda tut: bir fil, kocaman ağırlığına rağmen geniş ayak tabanları sayesinde yere göreceli olarak az basınç uygular. Buna karşılık ince topuklu bir ayakkabının topuğu, çok daha hafif bir vücudun ağırlığını taşısa bile, alanı son derece küçük olduğu için yere çok yüksek basınç uygular.
İkinci sık hata: basınç ile kuvveti aynı şey sanmak. Kuvvet tek başına bir şey söylemez; aynı kuvvet dar bir alana uygulanırsa büyük, geniş bir alana uygulanırsa küçük basınç oluşturur. Soruda "kuvvet" mi "basınç" mı sorulduğuna her zaman dikkat et.
F.8.3.1.1
Topuklu ayakkabı ile terlik
Bir kişinin ince topuklu ayakkabısının topuğunun zemine değen alanı yaklaşık 1 cm²'dir. Aynı kişinin düz tabanlı terliğinin zemine değen alanı ise yaklaşık 150 cm²'dir. Kişinin ağırlığı iki durumda da aynıdır. Topuklu ayakkabıyla yere uygulanan basınç, terlikle uygulanan basıncın kaç katıdır?
- Kuvvet (ağırlık) değişmiyor, yalnızca temas alanı değişiyor.
- Alan 150 cm²'den 1 cm²'ye düşüyor, yani alan 150 kat küçülüyor.
- Alan küçüldükçe basınç ters orantılı olarak büyür: alan 150'de birine düşerse basınç 150 katına çıkar.
- Oran: 150/1 = 150.
- Topuklu ayakkabıyla uygulanan basınç, terlikle uygulanan basıncın 150 katıdır. Bu yüzden topuklu ayakkabı yumuşak zeminde (çim, parke) iz bırakır, terlik bırakmaz.
F.8.3.1.1
Sıvı basıncı neye bağlıdır?
Bir sıvının içindeki bir noktaya etki eden basınca sıvı basıncı denir. Sıvı basıncını belirleyen şey derinliktir: bir noktanın sıvı yüzeyinden ne kadar aşağıda olduğu.
Derinlik arttıkça sıvı basıncı artar, çünkü o noktanın üzerinde daha fazla sıvı vardır ve bu sıvının ağırlığı da o noktaya etki eder.
Önemli olan şey kabın taban alanı DEĞİLDİR. Dar bir kap ile geniş bir kapta, sıvı yüzeyinden aynı derinlikteki iki nokta aynı basıncı hisseder — kabın şekli ya da genişliği sonucu değiştirmez.
F.8.3.1.2
Dalgıcın hissettiği basınç
Bir dalgıç deniz yüzeyinden 5 metre derinlikteyken P kadar su basıncı hissediyor. Aynı dalgıç 15 metre derinliğe indiğinde hissettiği su basıncı, P'nin kaç katı olur?
- Sıvı basıncı derinlikle doğru orantılıdır: derinlik arttıkça basınç aynı oranda artar.
- Derinlik 5 metreden 15 metreye çıkıyor, yani derinlik 3 katına çıkıyor.
- O hâlde basınç da 3 katına çıkar: 15/5 = 3.
- 15 metrede hissedilen basınç, 5 metrede hissedilen basıncın 3 katıdır.
F.8.3.1.2
Kabın şekli veya sıvı miktarı basıncı değiştirir sanma
Çok yaygın bir yanlış: "geniş kaptaki sıvı daha çok olduğu için tabana daha çok basınç yapar" diye düşünmek. Bu yanlıştır.
Geniş bir kapta aynı derinlikte gerçekten çok daha fazla sıvı (hacim) bulunur, ama bu fazla sıvının ağırlığı, aynı zamanda çok daha geniş bir tabana yayılır. İki etki birbirini dengeler ve sonuçta derinlik aynıysa taban basıncı da aynı kalır.
Kısacası sıvı basıncı; kabın şekline, kabın genişliğine, kaptaki sıvının toplam miktarına (hacmine) bağlı DEĞİLDİR. Tek belirleyici derinliktir. Bir soruda "hangi kapta basınç daha büyük" diye sorulduğunda önce derinlikleri karşılaştır, kap şekline aldanma.
F.8.3.1.2
Gazlar da basınç uygular
Gazlar da tıpkı sıvılar gibi bulundukları kabın içinde her yöne basınç uygular. Bir balonun her yönden şişmesi, içindeki gazın balonun iç yüzeyinin her noktasına basınç uyguladığını gösterir.
En tanıdık gaz basıncı örneği açık hava basıncıdır (atmosfer basıncı): üzerimizdeki hava tabakasının ağırlığından kaynaklanan ve bizi her yönden saran basınçtır. Bir pipetle içecek içerken aslında ağzınla emerek pipetin içindeki basıncı düşürürsün; açık hava basıncı da sıvıyı yukarı, ağzına doğru iter.
Boş bir plastik şişeyi sıkıca kapatıp üzerine sıcak su döktükten sonra soğumaya bırakırsan şişenin içeri doğru çöktüğünü görürsün — bunun nedeni de içerideki gazın basıncı azalırken dışarıdaki açık hava basıncının aynı kalmasıdır. Bu konuda gaz basıncını hangi değişkenlerin etkilediğine girmiyoruz; önemli olan gazların da basınç uyguladığını bilmen.
F.8.3.1.2
Üç hâlin basıncı bir arada
Katı, sıvı ve gaz basıncını birbirine karıştırmamak için üçünü yan yana koyup karşılaştıralım. Katıda basınç kuvvet ve temas alanına bağlıyken, sıvıda yalnızca derinliğe bağlıdır ve kabın şeklinden bağımsızdır. Gazlar ise sıvılara benzer şekilde basınç uygular ama bu basıncı hangi değişkenlerin etkilediğine bu seviyede girilmez.
F.8.3.1.2
N ile N/m² birbirine karıştırılıyor
Sorularda en çok gözden kaçan ayrıntılardan biri birimler. Newton (N) bir kuvvetin, yani ağırlığın birimidir; tek başına basınç değildir. Basıncın birimi N/m², yani Pascal'dır (Pa) — bir kuvvetin bir alana bölünmesinden ortaya çıkar.
Bir soru "kaç Newton'luk kuvvet uyguluyor" diye soruyorsa cevap kuvvettir, birimi N olmalı. "Kaç Pascal basınç uyguluyor" diye soruyorsa cevap basınçtır, birimi N/m² ya da Pa olmalı. İkisini birbirinin yerine yazmak, doğru akıl yürütsen bile soruyu yanlış cevaplamana yol açar.
Alan birimlerinde de dikkat: küçük yüzeyler cm² ile, büyük yüzeyler m² ile verilir; bir soruda ikisi karışık verilmişse önce ortak birime çevirmen gerekir (1 m² = 10.000 cm²).
F.8.3.1.1
Basınç günlük yaşamda ve teknolojide
Basınç bilgisi mühendislikte ve günlük hayatta sürekli kullanılır. Basıncı KÜÇÜLTMEK istediğimizde temas alanını büyütürüz: kar ayakkabıları, traktör ve iş makinelerinin geniş paletli tekerlekleri, sırt çantasının geniş omuz askıları hep bu mantıkla tasarlanır. Basıncı BÜYÜTMEK istediğimizde ise temas alanını küçültürüz: bıçağın, iğnenin, çivinin ucu bu yüzden sivriltilir; az kuvvetle bile yüksek basınç oluşturup kolayca kesip delebilirler.
Sıvı basıncının en önemli teknolojik uygulaması Pascal prensibidir: kapalı bir kaptaki sıvıya bir noktadan uygulanan basınç, sıvının her noktasına aynı büyüklükte iletilir. Hidrolik krikolar, hidrolik frenler ve otomobil kaldırma liftleri bu prensiple çalışır — küçük bir pistona uygulanan küçük bir kuvvet, sıvı aracılığıyla büyük pistona iletilerek çok daha büyük yükleri kaldırabilir.
Burada öğrendiğimiz şey bir formül değil, bir İLKE: doğada tekrar tekrar doğrulanan, birçok olayı açıklayan genel bir kuraldır. Bilimsel bilgi tek tek olgulardan ibaret değildir; ilke ve prensipler, o olguları birbirine bağlayan genel açıklamalardır.
F.8.3.1.3
Hidrolik krikoda kuvvet büyütme
Bir hidrolik krikonun küçük pistonunun taban alanı 4 cm², büyük pistonunun taban alanı 60 cm²'dir. Pascal prensibine göre küçük pistondan sıvıya uygulanan basınç, sıvının her noktasında aynıdır. Küçük pistona 20 N'luk bir kuvvet uygulanırsa, büyük piston en fazla kaç Newton'luk bir yükü kaldırabilir?
- Pascal prensibine göre sıvının her noktasındaki basınç aynıdır; bu yüzden büyük pistondaki kuvvet, küçük pistondaki kuvvetle aynı oranda büyür — alan oranı kadar.
- Alan oranı: büyük alan / küçük alan = 60/4 = 15.
- Büyük pistondaki kuvvet = küçük pistondaki kuvvet × alan oranı = 20 N × 15 = 300 N.
- Büyük piston en fazla 300 N'luk yükü kaldırabilir.
F.8.3.1.3
Aklında kalsın
Basınç, bir kuvvetin birim alana yaptığı etkidir; birimi Pascal (Pa) = N/m²'dir.
Katı basıncı: kuvvet arttıkça artar, temas alanı arttıkça azalır. Alan ile basınç ters orantılıdır — bunu tersten hatırlamak en sık yapılan hatadır.
Sıvı basıncı: yalnızca derinliğe bağlıdır, kabın şekline ya da sıvı miktarına bağlı DEĞİLDİR. Derinlik arttıkça basınç aynı oranda artar.
Gazlar da sıvılar gibi her yöne basınç uygular; açık hava basıncı bunun en tanıdık örneğidir.
Günlük yaşamda basıncı küçültmek için alanı büyütürüz (kar ayakkabısı), büyütmek için alanı küçültürüz (bıçak ucu). Pascal prensibi, kapalı bir sıvıya uygulanan basıncın her noktaya aynen iletilmesidir; hidrolik kriko ve fren bu ilkeyle çalışır.
Son uyarı: N kuvvetin, N/m² (Pa) basıncın birimidir — ikisini karıştırma.