Karda yada kumda yürürken sivri topuklu ayakkabılarla yürümek neden zordur? Ördekler nasıl olurda bataklıkta batmadan yürüyebilirler?

Transkript

1 1. BASINÇ Karda yada kumda yürürken sivri topuklu ayakkabılarla yürümek neden zordur? Ördekler nasıl olurda bataklıkta batmadan yürüyebilirler? Yeryüzündeki tüm maddeler ağırlıkları nedeniyle bulundukları yüzeylere bir kuvvet uygular!ar. Kar üzerinde duran bir insan, iki ayağı üzerinde dururken tek ayağını kaldırırsa ağırlığı değişmediği için yüzeye uyguladığı kuvvet değişmez. Fakat kara batma miktarı artar. Bunun nedeni basınçtır. Birim alana dik etki eden kuvvete basınç, yüzeye etki eden toplam basınca ise basınç kuvveti denir. Basınç, cisimler üzerinde kuvvetin yarattığı tüm etkileri gösterir. Yani cisimlerin hareket etmesini, şekil ve biçim değiştirmesini sağlar. Havası boşaltılmakta olan teneke kutu, havanın basıncından dolayı yavaş yavaş içe doğru çöker; balta odunu kolayca yarabilir; ağır araçlar lift ve krikolar sayesinde zorlanmadan kaldırılabilir. Kum üzerine dik konulan tuğlanın, yatık şekilde konulan tuğladan daha derin iz bıraktığını görürüz. Buradan anlaşılacağı gibi kuvvet sabit iken basınç ile yüzey alanı arasında ters orantılı bir ilişki vardır. Üst üste duran tuğla sayısı artırıldıkça bırakılan izin daha derinleşeceği gözlemlenir. Buradan da yüzey alanı sabit tutulup kuvvet artırıldığında basıncın artacağı sonucuna ulaşırız. Yani basınç; kuvvet ile doğru, yüzey alanı ile ters orantılıdır.

2 SI birirn sistemine göre kuvvet birimi Newton(N) yüzey aianı birimi m2 alınırsa basınç birimi N/m2 olur. 1 m2 lik yüzeye etki eden 1 N tik kuvvete pascal denir. Günlük yaşantırnızda sıkça kullanılan basınç birimlerinden biri de atmosferdir. Havanın ağırlığı vardır ve hava, ağırlığından dolayı dünya üzerinde bulunan herşeye basınç uygular. Uygulanan bu basınca atmosfer basıncı denir. Bir başka deyişle deniz seviyesinde 1 m2 lik yüzeye N lik kuvvet uygulayan basınca 1 atmosfer denir ve atm ile gösterilir. 1 cm2 llk bir yüzey üzerine 1 dyne ilk bir kuvvetin yaptığı basınca, l dyne/cm2 ya da kısaca 1 bari denir. Bilim alanımda kullanılan basınç birimi, baridir. Bari, küçük birim olduğundan, bunun yerine meteorolojide, hava raporlarını açkılamak için bar ve milibar birimleri kullanılır. Yaklaşık 76 cmhg nrn tabanına yaptığı basınca 1 bar denir. (106 Bari = 1 Bar) (1 atm 1 bar) Diğer bir basınç birimi Torr ise Toricelli ye adanmştr. 1 atm = 760 torr olarak belirlenmiştir. 1 atm = pa = 1,013 bar = 76 cmhg = mmh2o 760 Torr A) KATI BASINCI Katı cisimler, ağırlıklarından dolayı üzerinde durdukları yüzeye kuvvet uygular ve bu kuvvet etkisiyle o yüzeyde basınç oluşur. Taban alanı S ve ağırlığı G olan katı bir cismin yüzeye uyguladığı basınç; Katı cisimlerin basıncı, yerçekimi doğrultusuna dik olan yatay düzlemde hissedildiği gibi eğik düzlemde de hissedilir. Katı cisimlerin üzerine uygulanan basınç kuvveti, kuvvet doğrultusunda iletilir. Yüzeyi delme gücünün, uygulanan kuvvetten çok, basınca bağlı olduğunu gösteren sayısız örnek verilebilir. Raptiyelerin başı, başparmağa uygulanan kuvveti yaymak için büyük yapılır. Keskin bir bıçak, kör bir bıçaktan daha iyi keser; çünkü ağzındaki temas basıncı daha büyüktür. Develerin tabanları çöl koşullarına uyacak büyüklüktedir. İnce topuklu ayakkabı giymiş bir kadının döşeme üzerinde yapacağı zarar. bir filin yapacağından daha fazladır, Tank gibi paletli araçlar, tekerlekli araçların geçemediği alandan kolaylıkla geçerler.

3 Bir kap içerisinde birbirine karışmayan sıvılar varsa bu sıvıların kabın tabanında oluşturduğu toplam basınç; (sıvılar üzerlerine etki eden basıncı aynen ilettiği için) herbir sıvının kendi tabanında oluşturduğu basınçların toplamına eşittir ve

4 B) SIVI BASINCI Bildiğimiz gibi sıvılar da katılar gibi yerçekiminin etkisi altındadır.katılardan farklı olarak sıvılar akışkandır. Sıvılar, içine konuldukları kabın yalnız tabanına değil temas ettikleri bütün yüzeylerine kuvvet uygular. Sıvının kabın tabanına uyguladığı kuvvet, sıvıya etki eden yan yüzey kuvvetleri ile sıvı ağırlığının bileşkesidir. Bu nedenle sıvının tabanında, basıncı oluşturan bu bileşke kuvvet, sıvının ağırlığından farklı olabilir. Bir sıvının basıncı derinlik, sıvı özkütlesi ve yerçekimi ivmesi ile doğru orantılıdır. (P = h.d.g) Tüm sıvılar içinde bulunan cisimlere bir basınç uygular. Suda yüzdüğünüzü düşünün. Bu durumda derinlere daldıkça üzerinizde bulunan suyun vücudunuza bir baskı yapması doğaldır. Ne kadar derine inerseniz üzerinizdeki su kütlesi ve baskı artar. İşte bu baskı sıvı basıncından kaynaklanmaktadır. Sualtında yaklaşık her 10 metre derine inildiğinde 1 atmlik basınç artışı gerçekleşir. 10 metre derinlikte 2 atm, 20 metre derinlikte 3 atm, 30 metre derinlikte 4 atm toplam basınç vardır. Durgun sıvıların basıncı, içerisinde bulunduğu kabın şekline ya da kaptaki sıvı miktarına bağlı değildir. İçerisinde aynı yükseklikte, aynı cins sıvılar bulunan farklı şekilli kapların tabanlarındaki sıvı basınçları aynıdır. Durgun sıvıların basıncı; sıvının özkütlesine, yerçekim ivmesine ve sıvının derinliğine (açık yüzeye olan uzaklığına) bağlı olup bunlarla doğru orantılıdır. (P = h.d.g)

5 Bir kap içerisinde birbirine karışmayan sıvılar varsa bu sıvıların kabın tabanında oluşturduğu toplam basınç; (sıvılar üzerlerine etki eden basıncı aynen ilettiği için) herbir sıvının kendi tabanında oluşturduğu basınçların toplamına eşittir ve Bir kapta bulunan sıvı, ağırlığının etkisi ile temas ettiği tüm yüzeylere kuvvet uygular. Sıvının kap yüzeyinin tamamına uyguladığı bu kuvvete sıvı basınç kuvveti denir. Sıvı eğik yada düşey yüzeyle etkileşiyorsa, bu yüzeylerde sıvı basıncı, yüzeyin derinliği değiştikçe değişir. Bu nedenle sıvı basınç kuvveti bu yüzeydeki en büyük ve en küçük basınç değerlerinin ortalaması ile hesaplanır. (Şekil 1-5) Düzgün yükselen, taban alanı 5 olan bir kap içerisindeki sıvının yüksekliği h ise sıvının kabın tabanına uyguladığı sıvı basıncı P = h.d.g ve basınç kuvveti F = h.d.g.s dir. Sıvının hacmi V = h.s ve özkütlesi d = m/n olduğu düşünülürse; F = h.d.g.s = m.g eşitliği bulunur. Bu da demek oluyor ki; düz bir kapta kabın tabanındaki sıvı basınç kuvveti kabın içindeki sıvının ağırlığına eşittir. Aynı koşullar tabandan yukarı doğru genişleyen bir kap için düşünüldüğünde, kabın içindeki sıvı ağırlığının kabın tabanında oluşan sıvı basınç kuvvetinden büyük, tabandan yukarı doğru daralan bir kap için düşünüldüğünde, kabın içindeki sıvı ağırlığının kabın tabanında oluşan sıvı basınç kuvvetinden küçük olduğu görülecektir. (Şekil 1-6)

6 Bir cam kabın içine sıvı doldurduğumuzu düşünelim. Kabın Ağzını bir pistonla kapatarak pistonu bastırırsak şişe kırılabilir. Uzun dar dikey bir boru büyük, sızdırmaz bir fıçıya geçirilip, boruya sürekli su eklenirse sistemdeki basınç artar. Fıçı dolunca boruya küçük bir miktar su eklenmesi fıçının patlaması için yeterli olacaktır. Çünkü sıvıya bir noktada etkiyen basınç, sıvı tarafından yalnız kuvvetin doğrultusunda değil, kabın her noktasına aynen iletilir. Buna Paskal Prensibi denir. Bu prensip sıvıların basınç altında çok az sıkıştırılmasına rağmen sıkıştırılmaz olduğu düşünülerek Pascal tarafından oluşturulmuştur. Şekilleri ve kalınlıkları farklı olan iki ya da daha fazla kabın tabanlarını birleştirilmesi ile elde edilen düzeneğe birleşik kap denir. Birleşik kaplarda tek cins sıvı varsa, her kaptaki sıvı yüksekliği eşit olur. Birbirine karışmayan sıvılar varsa kollardaki sıvı seviyeleri arasında fark oluşur. Özkütlesi büyük olan sıvı aşağıda kalır ve yüksekliği küçük olur. Birleşik kapların tabanlarındaki sıvı basıncı eşittir. Kap tabanında basınç farkı oluşturulmuşsa basınç eşitleninceye kadar basıncın çok olduğu yerden az olduğu yere doğru akış olur. Şehirdeki su şebekeleri birleşik kap modeline göre çalışır. Su depoları yüksek yerlere kurularak bağlanan boruların tabanlarındaki basınç artırılır. Bu basınç sayesinde borulardaki su evlere ulaşarak musluklardan akar.

7

8 C) GAZ BAINCI Sıvılar gibi gazlarda bulundukları kabın çeperlerine basınç uygular. Gazlar sıvılardan farklı olarak sıkıştırılabilme özelliğine sahiptir. Bu nedenle gazlar, farklı amaçlarla basınca dayanıklı çelik kaplar içinde muhafaza edilirler. Örneğin karbondioksit, azot, oksijen, neon gazı yüksek basınç altında sıvı halde çelik tüplere doldurulur. Gazların basıncı, gaz moleküllerinin sürekli kabın iç çeperlerine çarpmaları sonucu oluş maktadır. Kabın iç yüzeyindeki birim yüzeye, birim zamanda çarpma sayısı ne kadar fazla ise, basınç ta o kadar fazladır. Gaz moleküllerinin kabın iç yüzeyindeki her noktaya çarpma sayısı eşit olduğundan, her noktadaki gaz basıncı da eşit olur. Kapalı kaptaki gazların basıncı genel olarak üç niceliğe bağlıdır. Sıcaklık ve molekül sayısı sabit ise, gaz basıncı kabın yani gazın hacmi ile ters orantılıdır. Hacim arttıkça basınç azalır, hacim azaldıkça basınç artar. Sıcaklık ve hacim sabit ise gaz basıncı molekül sayısı ile doğru orantılıdır. Hacim ve molekül sayısı sabit ise, gazın basıncı sıcaklıkla doğru orantılıdır. Sıcaklık arttıkça gaz moleküllerinin hızı artar ve kabın iç yüzeyinde birim alana çarpma sayısı artar. Bu da basıncın artmasına neden olur. Çocuk balonu gibi esnek cisimlerde iç basınç daima dış basınca eşittir. Dış basınç azalırsa iç basınçta azalacağından balon şişer. Dış basınç artarsa iç basınçta artar yani balonun hacmi küçülür. Eğer sıcaklık ve molekül sayısı değişmiyorsa, balonun basıncının artması hacminin küçülmesi ile sağlanır. Esnek bir balon yükselirken hacmi artar ve belli bir yük- seklikte patlar. Şişirilmiş esnek bir balonu su içinde aşağı doğru indirirsek, dış basınç artacağı için balonun hacmi küçülür ve iç basınç artar. Sürekli hareket halinde olan bir hava okyanusunun en dip kısmında yaşıyoruz. İçinde yaşadığımız ve her an etkileşim havayı göremeyiz. Ancak havayı rüzgarın etkileriyle ve objeler üzerine yaptığı basınçla algılayabiliriz. Atmosferi oluşturan gazların (azot, oksijen, argon, C02) bir ağırlığı vardır ve bu ağırlık atmosferin altındaki ve içindeki cisimler üzerine bir baskı yapar ve kendini hissettirir. Hava basıncı, atmosfer içindeki havanın, ağırlığı nedeniyle yeryüzünde birim alana yapmış olduğu basınçtır. Bu değer normal olarak deniz seviyesinden yükseldikçe azalmaktadır. Çünkü basıncı yapan hava tabakasının kalınlığı ve ayrıca hava içindeki gaz moleküllerinin yoğunluğu yukarıya doğru azalmaktadır. Hava basıncı yaklaşık 10 m yüksekliğindeki suyun basıncına eşittir. (1 atm = mmh2o) Deniz seviyesinde hava basıncı yaklaşık 76 cm-hg dir. Hava her cm2 ye yaklaşık 10 N luk kuvvet uygular. İnsan vücudunun ortalama yüzey alanı 1,5 m2 = cm2 olarak kabul edilirse bir kişi üzerine, toplam N lik kuvvet etki eder. Yaklaşık 15 adet binek arabasının ağırlığına eşit olan bu etkinin oluşturduğu basınç vücut içi sıvı basıncı tarafından dengelenir ve bu yüzden hissedilmez yılında hava basıncının etkisini göstermek amacıyla Otto Van Gaverrile tarafından, magdeburg yarım küreleri olarak anılan bir deney yapılır. Metal iki büyük yarım küre birleştirilip içindeki hava boşaltılır. Daha sonra oluşan vakumlu küreye 16 at koşularak yarım küreler birbirinden ayrılmaya çalışılır ama küreler birbirinden ayrılmaz. İşte bunu sağlayan etki kürenin dışındaki hava basıncıdır.

9 Açık hava basıncını ölçen araçlara barometre denir. Açık hava basıncı yerden yüksekliğe bağlı olarak değişir. Hava basıncının yanında yüksekliğide ölçen alete altimetre denir. Kapalı kaptaki basıncı ise manometre ölçer. TORİÇELLİ DENEYİ Toriçelli cm uzunluğunda bir cam boru alınarak içini tamamen cıva ile doldurmuştur. Cıva dolu cam boruyu ters çevirerek, içerisinde cıva bulunan kaba koyduktan sonra borudaki cıvanın bir kısmının cıva kabına boşaldığını ve 76 cm yüksekliğini alacak şekilde dengede kaldığını gözlemiştir. cıvanın tamamen boşalmamasının sebebi, açık hava basıncının borudaki cıva basıncını dengelemesidir. Yani borudaki cıva (sıvı) basıncı kaptaki cıvanın üst yüzeyine etkiyen açık hava basıncına eşittir. Toriçelli bu deneyi deniz kıyısında ve sıcaklığın 0 C olduğu bir günde değişik kesitteki borularla denemiş ve sonucun değişmediğini gözlemiştir. O halde cıva yüksekliği borunun kesitine bağlı değildir. Cıvanın özkütlesi 13.6 g/cm3 olduğundan borudaki sıvı basıncı Po=h.d.g = 1 Atm olur.toriçelli deneyinde cıva yerine su kullanılmış olsaydı kullanılacak borunun yaklaşık 10,5 m olması gerekirdi. ( Po = hcıva. dcıva = hsu. dsu ) Deneyin yapıldığı yerin deniz seviyesine olan yüksekliği h seviyesini etkiler. Çünkü yükseklere çıkıldıkça üzerimizdeki atmosfer tabakasının kalınlığı azalacağından, birim yüzeye etkiyen havanın ağırlığı azalmaktadır.