Sıvıların Kaldırma Kuvveti (Arşimet Prensibi)

Arşimet tarafından farkedilen ve ileri sürülen bir ilkeyle, suyun kaldırma kuvveti açıklığa kavuşmuştur. Su kendi yoğunluğundan da az yoğunluğa sahip olan cisimleri, yüzeyine doğru itmektedir. Yoğunluk farklılıklarından ortaya çıkan itme kuvveti etkisiyle cisim yüzmeye başlar. Burada her ne kadar gemi ve deniz mühendisliğinin alanına girdiğinden, örnek su olarak alınmışsa da bu ilke sıvılar için genel kuraldır.
Yoğunluk karşılaştırması basit şekilde söyle yapılabilir: Elinize alacağınız bir kabı taşana kadar doldurun. Tabii önce o kabı da ondan daha büyük olan başka bir kaba koyun. Sonrada yüzebilecek herhangi bir cismi kaba atın. Büyük kapta biriken taşma suyu, varsa bir ölçekle (çamaşır makinesi toz ölcüsü veya ölçekli şu sürahisi de olur) hacmini, bir teraziylede ağırlığını ölcün. Sonra bir bölme işlemiyle ağırlığını, hacme bölün. Bulduğunuz o rakam kabaca o cismin yoğunluğunu verir. Bu sayı birden küçükse kaba attığınız çisim şu an suda yüzüyor durumdadır. Birden büyükse suya batmıştır. Anlaşılacağı gibi içme suyu kullandığımız düşünülmüştür ve içme suyunun yoğunluğu 1'dir.
Aslında bu doğal olay yüzmenin de nasıl gerçekleştiğini ortaya koyar. Arşimet bu deneyi aynı büyüklükteki iki altın parçayı terazinin iki koluna bağlayıp birini suya batırarak yapmıştır. Yukarıda açıklanan kendi bulduğu yöntemle altınların ikisi de gerçekse yoğunluklarının aynı kalacağını, biri farklı karışımlardan oluşan altınsa yoğunluk farkıyla ortaya çıkacağını ileri sürmüş ve kanıtlamıştır.

İlk bilim adamlarından biri olan Archimadas MÖ 287-212 yıllarında Yunanistan’da yaşamıştır. Bir rivayete göre, banyosunu yaparken suyu ağzına kadar doldurup içine girmiş ve vücudunun suyu taşırmasıyla çok ilgilenmiştir. Bunun üzerine su gibi bir sıvı içine konulan her şeyin yukarı doğru itildiğini ve bu itme kuvvetinin yer değiştiren yani taşan sıvının ağırlığına eşit olduğunu söylemiştir. Archimadas yüzen cisimler isimli eserinde şu prensibi ortaya koymuştur. Bir sıvının veya gazın içine batırılmış bir cisim, batan bölümünün hacmi kadar yukarıya doğru itilir. Cismi kaldıran bu kuvvet yer çekiminin ağırlığı da kuvvet miktarı kadar azalır. Arşimed bu prensibinden cisimlerin hacminin hesabında istifade etti. Suyun yoğunluğu bir gram/cm3 olduğundan su içine daldırılan bir cisim hacmi kadar ağırlıkla suyu taşırır. O halde taşan suyun ağırlığı cismin hacmini verecektir. Denizaltıların çalışması Arşimed prensibinin doğruluğunu deneyler gösterdi. Örneğin banyodan çıktıktan sonra kol ve bacaklarımızı kurşun gibi ağır hissederiz. Bunun sebebi banyo içindeyken vücudun ağırlığını hemen hemen kaybetmesi su tarafından “kaldırılması” dır. Her sıvı ya da gaz, içine konan eşyaya kaldırma gücü uygular. Bir eşya bir sıvı ya da gaz içine konduğu zaman iki şey olur. Eşya bir kısım sıvı ya da gazın yerini değiştirir ve bir kısım ağırlığını da kaybeder. Deneyler ise yer değiştiren sıvı veya gazın ağırlığının eşyanın ağırlık kaybına eşit olduğunu gösterir. Bir denizaltı yer değiştirdiği suyun ağırlığını safra tankları vasıtasıyla kontrol eder. Safra tankları boşken (su basınçlı havayla dışarı atılmış olarak) denizaltı kendi ağırlığındaki sudan fazlasına yer değiştirir ve bir gemi gibi denizin üstünde yüzer. Safra tankları dolunca ağırlığı, suyun kaldırma gücünden fazla olduğu için dolar. Ya da suyun içine, iple bağladığımız bir demir parçasını sarkıtarak, demiri su içinde kolaylıkla aşağı yukarı hareket ettirebiliriz ama sudan çıkardığımız vakit demir çok daha ağırlaşmış gibi gelir. Arşimed bunun nedenini açıklamıştır: Su gibi bir sıvı içine konulan her şeyin yukarı doğru itildiğini ve bu itme kuvvetinin yer değiştiren yani taşan sıvının ağırlığına eşit olduğunu söylemiştir.

ARŞİMED PRENSİBİ
Tamamı veya bir kısmı bir akışkanın (sıvı veya gaz) içine batırılan cisimlere, yukarı doğru, yönlenmiş bir kaldırma kuvveti etki eder. Bu kuvvet, cismin akışkana batmasıyla yer değiştiren akışkanın ağırlığına eşittir. Yer değiştiren akışkanın hacmi, cismin batan kısmının hacmine eşittir. O halde hacmi [V] olan bir cisim, özgül ağırlığı (g) olan bir sıvıya tamamen batmış vaziyette ise, bu cisme etki eden kaldırma kuvveti = F=V.g olur. Kısaca bir sıvının, bir cisme uyguladığı kaldırma kuvveti cismin taşırdığı, sıvının ağırlığına eşit olduğu için cisim; batan hacmi kadar sıvı hacmi taşıracağından dolayı aşağıdaki grafik ortaya çıkar. Cisim ağırlığı [G] sıvının kaldırma kuvvetinden büyük ise cisim batar. Bu durumda cismin özgül ağırlığı (g’) sıvının özgül ağırlığından büyüktür.
G G> F, g’>g
Cismin ağırlığı, sıvının kaldırma kuvvetine eşit ise, cisim sıvının içinde her yerde dengede özgül ağırlığına eşittir.
G=F , g’=g
Özgül ağırlığı, sıvının özgül ağırlığından küçük olan cisimler ise bir kısmı batmış vaziyette yüzerler.
Batan kısmın hacmi (V8) ile gösterilse F = VB g olur.
Yüzen cisimler denge halinde olduklarından F=G ‘ dir. F=G ,

SIVILARIN KALDIRMA KUVVETİ

Sıvı içinde bulunan bir cisim sıvı tarafından yukarıya doğru itilir. Bu itme kuvveti, sıvının kaldırma kuvveti olup cismin sıvı içinde kapladığı hacim kadar hacimdeki sıvının ağırlığıdır.

F=Vbatanhacim.r=Vbatanhacim.d.g

Sıvı içine bırakılan bir cisme aynı anda iki kuvvet etki eder:
G=Cismin ağırlığı G=V.dcisim.g
F=Sıvının kaldırma kuvveti F=V.dsıvı.g

Yüzme Ve Batma Koşulları

I) G>F ise; dc>ds olur. Bu durumda cisim batar.
II) G=F ise; dc=ds olur. Bu durumda cisim sıvı içinde nereye bırakılırsa orada kalır.
III) G<F ise; dc<ds olur. Bu durumda cisim sıvı içinde yukarıya yükselmeye başlar. Cismin bir kısmı sıvı dışına çıkınca cisim dengeye gelir.
Bu durumda: G=F olur.
V.dc.g=Vbatan.ds.g
dc/ds=Vbatan/V=batma miktarı olur.

Örneğin, eğer cismin özkütlesi 1g/cm3 sıvının özkütlesi 3g/cm3 ise cismin hacminin 1/3 ü sıvı içine girer.
Bir cismin bir kısmı veya tamamı sıvı içinde ise ancak cisim batmamışsa daima cismin ağırlığı sıvının kaldırma kuvvetine eşit alınır.

Aynı cisim farklı sıvılarda şekillerdeki konumlarda dengede ise farklı sıvılar cismi daima aynı kuvvetle kaldırır.
İki cisim bir sıvıda dengede ise GX+GY=F olur.
Bir cisim, birbirine karışmayan X ev Y gibi iki sıvı içinde dengede ise G=FX+FY olur.
Cismin hacminin yarısı X,diğer yarısı Y sıvısı içinde ise dcisim=(dX+dY)/2 olur.
Serbest bırakıldığında sıvıda batabilecek olan bir cisim iple bağlanarak sıvıya daldırılmış olsun. İpteki T gerilme kuvveti T=G-F olur. Bu durumda kap G-T=F kadar ağırlaşmış olur.
Esnek olmayan cisimler iple şekildeki gibi bağlanmış olsun.

T1=G-F ve T2=F-G olur.
T
ip gerilmesini değiştirmek için F kaldırma kuvvetini değiştirmek gerekir. F’yi değiştirmek için
1.Kaptan biraz sıvı dökerek cisimlerin bir kısmının sıvı dışına çıkmasını sağlamak gerekir.Bu durumda cismin sıvı içindeki hacmi azaltılmış olur.Veya;
2.Kaptaki sıvının özkütlesini değiştirmek gerekir.

İçi hava dolu esnek balon iple kabın tabanına bağlı olsun. Bu durumda T=F-G olur. İpteki gerilme kuvvetini değiştirmek için F kaldırma kuvvetini değiştirmek gerekir. F’yi değiştirmek için;
1.Sıvının özkütlesini değiştirilmelidir.Veya;
2.Sıvının balona yaptığı basınç değiştirilmelidir.Basın artarsa,balonda içindeki havanın basıncını artırma için hacmini azaltmak zorunda kalır.



SIVILARIN KALDIRMA KUVVETİ VE KULLANILDIû�I YERLER

• Sıvıların Kaldırma Kuvveti Nedir?
Sıvıların içine batırılan cisimler,yukarıya doğru itilirler ve ağırlıklarından kaybederler.Bunun nedeni sıvıların kaldırma kuvvetidir.Kaldırma kuvvetinin varlığı ,Arşimet adlı bilim adamı
tarafından bulunmuştur.

Bütün sıvılar içlerinde bulunan maddeye kaldırma kuvveti uygularlar. Bu kuvvet cismin akışkan içindeki hacmine ve akışkanın yoğunluğuna bağlıdır. Sıvı ne kadar yoğunsa uygulanan kaldırma kuvveti de o kadar fazladır. Bu yüzden suyun kaldırma kuvvetini suya girdiğimizde hissederiz ama havanın bize herzaman uyguladığı kaldırma kuvvetini çok az olduğundan dolayı hissedemeyiz. Bu bağlamda da sıvıların kaldırma kuvvetinin yoğunluğa da bağlı olduğunu söyleyebiliriz.


• Arşimet Prensibi:
Bir sıvı içindeki katı cisim,taşırdığı sıvının ağırlığına eşit bir kuvvet ile yukarıya itilir.Ünlü bir deneyde Arşimet,aynı kütledeki altın bir taç ile bir altın külçesinin taşıracakalrı su miktarlarının aynı olması gerektiğini ileri sürmüş ve dediği çıkmayınca tacın altın olup olmadığını anlamıştır.

• Kullanıldığı Yerler:
Arşimet prensibi,cisimlerin kendi ağırlıklarının bulunmasında kullanılır.
Parmaklarımızı bitiştirip içi su dolu bir kaba batıralım.Elimizi aşağıdan yukarıya doğru iten bir kuvvet hissederiz.Denizde yüzerken de bizi suyun yüzeyine iten bir kuvvet vardır.Çok büyük kütleli ve boyutlu gemiler bile suda Arşimet prensibi sayesinde yüzerler.Bütün bu örnekler bizlere,sıvıların bir kaldırma kuvveti olduğunu gösterir.Bu kaldırma kuvvetinin kullanıldığı alanlar ise oldukça fazladır.

İnsanların yiyecek ihtiyacından tutun da,turistik faaliyetler için bile şu anda suyun kaldırma kuvvetinden yararlanılmaktadır:

Bazı bölgelerde bulunan baraj gölleri,balık bakımından zengindirler.Kayık,kaldırma kuvvetinden yararlanılarak yapılmış olduğu için kayık kullanan bir kısım balıkçılar hem geçimlerini sağlamak hem de insanların besin ihitiyacını karşılamak için bu yola başvurular.Yine aynı şekilde, kaldırma kuvvetinden yararlanılarak yapılan bir spor da raftingdir.Her yıl binlerce turist ülkemize gelerek bu sporla ilgilenirler.Turistlerin bu konudaki ilgi alanları bununla sınırlı kalmaz.

Günümüzün yaygın sporlarından Jet-Ski,Sörf,Yelkenli ; turistlerin ilgi odağı olmuştur.
Kaldırma kuvvetini kullanıldığı bir diğer alan ise taşımacılıktır.Kıbrıs'ın bir ada olması bakımından oraya yapılan gezilerde su yolu kullanılmaktadır.

Ülkemizde bulunan Keban Gölü'nde bile iki köy arasında gidip gelmek için kayıkla veya sallar ile ulaşım gerçekleşir.

Her gün binlerce İstanbullu öğrenci Anadolu ve Avrupa yakasına varabilmek,okullarına ulaşabilmek için(köprü olmasına rağmen)ucuz ve rahat olduğu için deniz yolunu tercih etmektedirler.

Toprakları deniz kıyısında bulunan ülkeler için su ve su yolları savunma bakımından büyük önem taşır. Kaldırma kuvveti ile su üzerinde durabilen binlerce tonluk savaş gemileri yapılarak ülkeler arası güvenlik sağlanır.

Osmanlı Devleti zamanında bir çok devlet sıcak denizlere açılıp ticaret yapmak istemişlerdir.Bunun için de su yolunu kullanmışlar, dolayısıyla da suyun kaldırma kuvvetinden yararlanmışlardır.Bu şekilde ticaretlerini geliştirerek dünyanın sayılı ülkeleri haline gelmek istemişlerdir.İşte Arşimet'in bulduğu kaldırma kuvvetinden birçok devlet belki de bu prensibi bilmeden ondan yararlanmışlardır.

Sonuç olarak;suyun böyle bir özelliğinin farkında olmasaydık hayat bizim için belki de çok zor olacaktı. Unutmayalım ki,şu anda yüzüp,denizde seyahat ediyorsak, bunlarArşimet'in sayesinde olmuştur.Bu yüzden bu bilim adamının kıymetini bilmeli,prenisibini en iyi şekilde kullanarak onu geliştirmeye çalışmalıyız.