Bas nç Gazlar da Kald rma Kuvveti Uygular m?

(1)

Anahtar Kavram bas›nç

Gazlar da Kald›rma Kuvveti Uygular m›?

Bas›nç

Bu

kadar çok karın olduğu bir günde kar ayakkabıları giymeden

yürüyüşe çıkmamalıydın.

Fen ve teknoloji dersinde öğrendiği bazı bilgilerin uygulama

alanlarını unutmuş olmalı.

Nasıl da düşünemedim...

Bu bana ders olsun.

Kar üzerinde günlük ayakkabılarla yürümek zordur. Bu yüzden, kışın çok karlı geçtiği bölgelerde yaşayan insanlar, kara batmamak için geniş tabanlı kar ayakkabıları giyerler.

Bir kişi günlük ayakkabılarıyla kara battığı hâlde, kar ayakkabılarıyla neden batmaz?

Bir karpuzu bıçağın keskin tarafıyla kolaylıkla keseriz. Aynı karpuzu bıçağın sırtıyla kesmeye çalıştığımızda neden daha büyük kuvvet uygulamak zorunda kald›¤›m›z› hiç düflündünüz mü?

fiehir meydanlar› ve parklardaki f›skiyelerde suyun metrelerce yükseklere ç›kt›¤›n› görmüflsünüzdür. Buralarda suyun hangi etkiyle yükseklere ç›kt›¤›n› biliyor musunuz?

Su metrelerce yukar›

nas›l ç›kar?

(2)

Araç-Gereçler Araç ve Gereçler

♦ aynı ağırlığa sahip 2 adet kalın kitap

♦ yaklaşık 30 cm x 20 cm x 5 cm boyutlarında sünger

♦ dinamometre

♦ iplik

♦ cetvel

♦ kalın bir çivi

♦ raptiye

♦ şişe mantarı I. Aflama

• Kitapları iplikle dinamometre kancasına bağlayarak ağırlıklarını ölçelim.

• Kitapların boyutlarını cetvelle ölçerek yatay ve dikey konuma getirildiğinde yerle temas edecek yüzey alanlarını hesaplayalım.

• Kitaplardan birini yatay diğerini dikey olacak şekilde sünger üzerine bırakırsak çökmenin hangi durumda daha fazla olacağını tahmin edelim.

• Tahminimizi test etmek için kitapların aralarında 5-10 cm mesafe bırakarak birini yatay diğerini de dikey olacak biçimde sünger üzerine bırakalım ve süngerde oluşan çökmeleri gözlemleyelim.

• Daha sonra kitapların üst üste yatay ve dikey olarak sünger

üzerine konulmaları durumunda hangisinin daha derine çökeceğini tahmin edelim.

• Bu tahminimizi de test etmek için kitapları üst üste yatay ve dikey olarak sünger üzerine yerleştirerek çökmeleri gözlemleyelim.

• Tahminlerimizi ve gözlemlerimizi örneği aşağıda verilen çizelgeye kaydedelim.

Tahminlerim Gözlemlerim Kitaplar›n

ağırlıkları

(Kuvvet) (N) Yüzey alanı (m²) Kuvvet/Yüzey alanı (N/m²) Çok çöker Az çöker Çok çöktü Az çöktü

Tek kitap yatay Tek kitap dikey Üst üste iki kitap yatay Üst üste iki kitap dikey

II. Aflama

• Şişe mantarına önce raptiyeyi daha sonra çiviyi batırmaya çalışalım.

• Hangi durumda zorlandığımıza dikkat edelim.

Sonuca Varalım

• Ağırlıkları aynı olan kitaplar›n farklı yüzeyleri sünger üzerine konulduğunda gözlemlediğimiz farklı durumları nasıl açıklarız?

• Sünger üzerine iki kitabın üst üste yatay ve dikey olarak konulmasıyla tek kitabın yatay ve dikey olarak konulması durumunda, süngerdeki çökmelerin farklı olmasını Kuvvet/Yüzey alanı oranını göz önüne alarak nasıl açıklarız?

• Şişe mantarına raptiyenin daha kolay batmasını etkin- liğimizin I. aşamasında ulaştığımız sonuçla nasıl ilişkilendiririz?

Kuvvetin bir yüzey üzerindeki etkisi onun fliddeti yan›nda uyguland›¤› yüzeyin büyüklüğüne de bağlıdır. Yaptığımız çalışmada kitabı sünger üzerine dik koyduğumuzda gözlemlediğimiz çökme derinliği, yatay koyduğumuzda gözlemlediğimiz çökme derinliğinden büyük oldu. Bunun sebebi kitab›n sünger üzerine yatay konulmas› durumunda a¤›rl›¤›n›n daha büyük bir yüzeye etkimiş

(3)

Bas›nç Kuvvet ve Hareket

Aynı şekilde sabit bir yüzeye etkiyen dik kuvvetin şiddetinin değişmesi de yüzey üzerinde farklı etkiler yaratır.

Kitapları küçük yüzey alanı üzerinde (dik konumda) üst üste koyarak süngerin birim yüzey alanına uygulanan kuvveti artırmış oluruz. Bu durumda süngerdeki çökme derinliğinin tek kitabın dik konulmasında gözlenen çökme derinliğinden büyük olduğu fark edilir. Dikkat edilirse kuvvet/yüzey alanı oranının büyüklüğü, süngerdeki çökmenin derinliğini belirlemektedir. Benzer olarak, şişe mantarına raptiyenin çividen daha kolay batması kuvvet/yüzey alanı oranının raptiyede daha büyük olmasıyla açıklanır. Burada bahset- tiğimiz kuvvet/yüzey alanı basınç olarak adlandırılır. Basınç, birim yüzeye dik olarak etki eden kuvvettir. Basıncın birimi de açıkladığımız bu tanımdan ortaya çıkar.

Bu oranda kuvvetin birimi N, yüzey alanın birimi m² alınırsa basıncın birimi N/m² olur. Bu birime özel olarak pascal (paskal) denir ve Pa ile gösterilir.

1 Pa=1 N/m²

O halde 1 Pa, 1N’luk kuvvetin 1m² lik yüzeye yaptığı basınçtır.

Etkinliğimizde süngerdeki çökme- lerin kitapların ağırlıkları yönünde meydana geldiğini ve raptiyenin kuvvetin etki ettiği yönde şişe mantarına battığını gözlemledik.

Buna göre kat› cisimler kendilerine uygulanan kuvveti, kuvvetin uyguland›¤› yönde iletir.

Basıncın uygulanan dik kuvvete ve bu

dik kuvvetin etki etti¤i yüzey alan›na bağlı olmasından yararlanılarak hayatımızı kolaylaştıran pek çok araç ve gereç yapılmıştır.

Trenlerin tekerlek sayısının çok olması, tren ağırlığını çok sayıdaki tekerlek üzerinde paylaşılmasını sağlayarak basıncı düşürür. Böylece rayların bozulması önlenir.

Küçük bir kuvvetin etkisiyle büyük basınç elde etmek, pek çok alanda işimizi kolaylaştırır: ‹ğne

Yüzey alanın büyütülmesi basıncı azalttığı için, iş makinelerinin tekerlekleri veya paletleri geniş yapılarak arazi şartlarında toprağa batmaları önlenir.

Kuvvetin birimi Yüzey alan› birimi Basıncın birimi =

13 42. s.

14 43. s.

Çekiçle çiviye vurduğumuzda uyguladığımız kuvvet, yönünü ve şiddetini değiştirmeden çivinin başına oradan da ucuna aktarılır. Buna karşılık çivinin ucunun yüzey alanının küçük olması buradaki basıncın daha büyük olmasını sağlar.

Kuvvet/yüzey alan›n› ayarlayarak kari- katürdeki gibi bir düzenekle siz de bir kaç arkadafl›n›z› kald›rabilirsiniz.

Ayrıca fil, gergedan ve deve gibi hayvanların ayaklarının taban alanlarının büyük olması da onların yere uygulayacakları basıncı küçültür. Böylece hayvanlar toprak veya kum zeminde rahatça yürür.

(4)

6. Etkinlik

♦ ikişer adet 1 L ve 2 L’ lik plastik şişe

♦ paket lastiği veya yapıştırıcı bant

♦ U borusu

♦ lastik hortum

♦ huni

♦ balon

♦ 1 L etil alkol

♦ su

♦ oyun hamuru

♦ cetvel

Sıvı Basıncı Nelere Bağlıdır?

Gözlemleyelim, ‹nceleyelim

Bunları Yapalım

• Balondan kestiğimiz bir parçayı, huninin üzerine paket lastiği veya bant kullanarak gerelim.

• U borusunu oyun hamuru yard›- m›yla sabitleyelim.

• Lastik hortumun bir ucunu huniye, diğer ucunu da içerisine bir miktar su koyduğumuz U boru- suna geçirelim.

• Plastik şişelerimizi yaklaşık 15 cm boyunda kaplar elde edecek flekilde keselim.

• Kestiğimiz 1 L’lik plastik şişelerden birine 10 cm yüksekliğinde etil alkol, diğerine de su koyalım.

• Huniyi içerisinde etil alkol bulunan plastik şişeye yavaş yavaş 5 cm kadar daldırarak U borusundaki suyun hareketini gözlemleyelim.

• Bir önceki işlemi, içinde su bulunan 1 L’lik plastik şişede tekrarlayalım.

• Yukarıdaki işlemleri kestiğimiz 2 L’lik plastik şişelerde tekrarlayalım.

Sonuca Varal›m

• Huni her iki sıvı içerisinde derine daldırıldıkça U borusundaki su seviyesi nasıl değişti?

• Huni hangi plastik şişedeki sıvıya daldırıldığında, U borusundaki su seviyesi daha çok değişti?

Bu durumu nasıl açıklarız?

• Plastik şişenin genişliği U borusundaki su seviyesini etkiler mi?

Yandaki flekilde görüldü¤ü gibi s›v› içerisindeki bir cisim üzerinde, onun yukar›s›nda kalan s›v› sütünun a¤›rl›¤›ndan dolay› bir bas›nç oluflur. Bu yüzden huniye gerilmiş balon, derinlere daldırıldıkça daha çok sıvı ağırlığının etkisinde kalır. Esnek balona etki eden kuvvetin adım adım artması bu yüzeyde giderek artan bir basınç oluşturur. Balon, artan basıncın etkisiyle daha çok içe doğru çöker ve U borusunun karfl›

kolundaki su seviyesinin giderek yükselmesine sebep olur.

Sıvı basıncın›n derinlikle artması, sıvı içerisine bırakılan bir cismin alt yüzündeki basıncın daha büyük olmasına sebep olur. Buna bağlı olarak sıvı içerisindeki bir cisme etki eden kaldırma kuvvetinin, cismin tabanıyla tavanı arasındaki basınç farkından kaynaklandığını söyleyebiliriz.

Huni, de¤iflik sıvılarda aynı derinliğe dald›r›ld›¤› hâlde U borusunun bir kolundaki su seviyesi ayn› miktarda yükselmez. Su etil alkolden yoğun olduğundan etil alkole göre daha büyük basınç oluşturur. Bu yüzden huni üzerindeki balon daha fazla içe do¤ru çöker ve U borusunun bir kolundaki su seviyesi daha çok yükselir. U borusunun karfl› kolundaki bu yükselmede huninin dald›r›ld›¤› kab›n 1 L’lik veya 2 L’lik olmas› etkili de¤ildir. Buna göre s›v› bas›nc›n›n, s›v›n›n hacmine, konuldu¤u kab›n geniflli¤ine ve flekline ba¤l› olmad›¤›; s›v› derinli¤ine ve s›v› yo¤unlu¤una ba¤l› oldu¤u görülür.

Acaba, sıvılar uygulanan basıncı nasıl iletir? Derinlik artt›kça bas›nç da artar.

S›v›

sütunu

15 43. s.

Yükseklik

(5)

7. Etkinlik

♦ enjektör (i¤nesiz)

♦ toplu iğne

♦ balon

♦ su

♦ ip

♦ büyükçe bir tepsi veya leğen

Sıvıların Basıncı ‹letmesi

Maddenin tanecikli yapıda olduğunu biliyoruz.

Bu tanecikler, gazlarda s›v›lara göre daha seyrek ve hareketlidir. Enjektör içerisindeki gaz molekülleri, her doğrultuda olan hareketleri sırasında birbirine ve enjektör çeperlerine itme uygular. Başlangıçta enjektör içerisinde büyük hacme yayılmış olan hava, pistonunun ileri doğru hareketiyle çıkış deliğinin kapalı olmasından dolayı daha küçük hacme toplanır. Bu sırada enjektör içerisine ve pistona daha çok molekül çarparak daha büyük itme oluflturur. Oluflan itme enjektör içerisindeki basınc› art›rmış olur.

Aynı durumu enjektöre su koyduğumuzda gözleyemeyiz. Çünkü uygulanan basıncın etkisiyle sıvıların hacimlerinde gözle görülebilir düzeyde bir değişme olmaz. Bu yüzden sıvılar “sıkıştırılamaz” kabul edilir. ‹çi suyla dolu balona üzerindeki herhangi bir noktadan basınç uygulandığında balondaki su, balon üzerindeki bütün deliklerden aynı h›zla akar. Yandaki kavanoz resimlerinden de anlafl›laca¤› gibi sıvıya bir noktadan uygulanan basınç, sıvı ile temasta olan her

noktaya sadece kuvvet doğrultusunda değil bütün doğrultularda aynen iletilir. Bu gerçek Fransız bilim insanı Blaise Pascal (Bleyz Paskal) tarafından şöyle ifade edilmifltir: “Kapalı bir kaptaki sıvıya uygulanan basınç, bu sıvının her noktasına ve kabın iç yüzeyinin her noktasına aynen iletilir.”

Sıvıların basıncı iletme özelliğinden günlük hayat›n birçok alan›nda yararlanmaktay›z.

S›v›lar s›k›flt›r›lamaz oldu-

¤undan kapal› kaptaki s›v›- n›n bir k›sm› uygulanan d›fl bas›nç etkisiyle boflal›r.

Uygulanan dış basınç sıvı ile temasta olan her nokta- ya aynen iletilir.

Sıvıya etki eden hava basıncı sıvı ile temas- ta olan her noktaya aynen iletilir.

Bunları Yapalım

• Enjektörün i¤ne takma ucunu parmağımızla kapatal›m.

‹çerisindeki havayı sıkıştırırken iteneğin (pistonun) yaptığı yer değiştirmeyi gözlemleyelim.

• Parmağımız hava çıkış deliğin- deyken iteneği serbest bırakarak iteneğin kendiliğinden nasıl hareket ettiğini gözlemleyelim.

• Aynı işlemi enjektöre su alarak tekrarlayalım.

• Daha sonra yukarıda yaptığımız gözlem sonuçlarını, maddenin tanecikli yapısını dikkate alarak hava ve suyu sıkı- şabilirlik yönünden karşılaştıralım.

• Ardından bir balonu suyla doldurup ağzını iple sıkıca bağlayarak tepsi içerisine koyalım.

• Toplu iğneyle balonun değişik yerlerinde delikler açalım.

• Bu deliklerde kendiliğinden oluşan su akışını gözlemleyelim.

• Ard›ndan balonun farklı yerlerine elimizle bastırarak deliklerdeki su akışını tekrar gözlemleyelim.

Sonuca Varalım

• Enjektör içerisinde hava varken iteneğin neden daha çok yer değiştirdiğini açıklayalım.

• Balon üzerine elimizle bastırdığımızda bütün deliklerden akan suyun akış hızlarıyla ilgili vardığınız sonucu nasıl açıklarız?

(6)

Gazların Basıncı

Yüzerken suyun bedenimize uyguladığı basıncı kolaylıkla hissederiz. Aynı şekilde havanın da bedenimize bir basınç uyguladığını biliyor muyuz? Binlerce kilometre kal›nl›¤›nda bir gaz tabakas› hâlinde Dünya’m›z› saran atmosferin en alt kısmında bulunduğumuz hâlde bu basıncı neden hissetmediğimizi hiç düşündük mü? Bunu bir etkinlikle açıklayalım.

Bunların dışında taşıma ve sıkıştırma sistemleri, tulumbalar, hidrolik fren sistemleri, berber koltukları, vinçler ve lunaparktaki atlıkarınca gibi birçok araç Pascal Prensibi’ne göre çalışır.

Bazı itfaiye merdivenlerinin çalışması da sıvıların basıncı iletme prensibine dayanır.

Vücudumuz aç›k hava bas›nc›n›n etkisi alt›ndad›r.

Bazı yerleşim birimlerindeki evlere verilen su genellikle yüksek bir yere yapılmış depolardan büyük bir bas›nçla aktarılır. Bu sistem bileşik kap örneğidir.

Pompa

Varillerdeki s›v›lar› boflaltmak için bas›nç fark›

oluflturan pompalar kullan›l›r.

Kompresörün uygulad›¤› bas›nç kapal› kaptaki s›v›n›n her noktas›na ve s›v› ile temasta olan her yere aynen iletilir. Bu yüzden yük silindirinde otomobilleri kald›racak kadar kuvvet oluflur.

Yük silindiri silindiri

8. Etkinlik

♦ 5 kg’ lık bofl yağ tenekesi

♦ cam macunu veya oyun hamuru

♦ ispirto ocağı

♦ sacayağı

♦ kronometre veya saat

Hava Basıncının Etkisi

Bunları Yapalım

• Yağ tenekesini ağzı açıkken ispirto ocağında 4-5 dakika ›s›tal›m.

• Daha sonra ispirto ocağını söndürerek tenekeyi 2-3 dakika soğumaya bırakalım.

• Bu sürenin sonunda tenekenin ağzını cam macunuyla kapatarak tenekeyi gözlemleyelim.

Sonuca Varalım

• Yağ tenekesinin fleklinde bir de¤ifliklik gözlemlediniz mi? Bunu nasıl açıklarsınız?

(7)

Kapalı bir kaptaki gazın basıncı, kabın içerisindeki her noktada aynıdır. Bunu şişirilen bir topun her tarafının aynı anda hareketlenmesinden veya şişirilmiş bir bisiklet tekerleğinin düzgün görünmesinden anlayabiliriz. Tekerleği şişirmek için bir bisiklet pompasının pistonu itildiğinde pompa silindiri içerisinde oluşan yüksek basınçlı hava, hortum yoluyla bisiklet tekerleğine aynen iletilir. Tekerleğin pompalama sonucunda bir süre sonra şişmesi tekerlek içerisindeki basıncın açık hava basıncından büyük olmasındandır.

Etkinlikte kullandığımız teneke içerisindeki hava moleküllerinin çoğu aldıkları ısının etkisiyle hareketlerini artırarak dışarı çıkar. Bu sırada ağzı kapatılan tenekenin iç basıncıyla açık hava basıncı arasındaki denge bozulur. Dış basıncın yüksek olmasından dolayı teneke içe do¤ru çökerek flekli bozulur.

Torricelli (Toriçelli) adlı bilim insanı aç›k hava bas›nc›n› araflt›r›rken deniz seviyesinde, 0 ^oC’ta, yaklaşık 1 m uzunluğunda ve bir ucu kapalı olan cam boruyu tamamen cıva ile doldurur. Borunun açık ağzını parmağı ile kapatarak cıva çanağına ters daldırır ve parmağını çeker. Borudaki cıvanın bir kısmının çanağa boşaldığını ve bir süre sonra cıva seviyesinin 76 cm’de dengede kald›¤›n› gözler. Bu çal›flma sonucunda deniz seviyesinde 0 ^oC’taki açık hava basıncının 76 cm cıva bas›nc› olduğunu ifade eder. Aynı deneyin değişik kesitteki borularla veya bu borular›n de¤iflik açılarla yerlefltirilerek yap›lmas›

durumunda da borudaki cıva seviyesinin yine 76 cm olduğu gözlenir.

Afla¤›daki resim Torricelli’nin açık hava basıncını ölçmek için yaptığı bir düzenektir. Bu düzenek basit ama hassas bir barometredir.

Magdeburg Deneyi

1664 yılında, hava basıncının etkisini göstermek amacıyla Otto Von Guerrike (Otto Fon Gürrik) tarafından, Magdeburg Yarım Küreleri olarak anılan bir deney yapılır. Metal olan iki büyük yarım küre birleştirilip içindeki hava boşaltılır. Daha sonra, oluşan vakum küreye çok sayıda at koşularak yarım küreler birbirinden ayrılmaya çalışılır ama küreler birbirinden ayrılmaz. ‹flte bunu sağlayan etki, kürenin dışındaki hava basıncıdır.

Hava, hem yerküreye hem de kendi içindeki bütün cisimlere, moleküllerinin ağırlığı ve hareketi nedeniyle bir kuvvet uygular. Bu kuvvetin birim yüzey alanına düşen payına “açık hava basıncı”

veya “atmosfer basıncı” denir.

Hava her cm²ye yaklaşık 10 N’luk kuvvet uygular. ‹nsan vücudunun ortalama yüzey alanı 1,5 m²=15 000 cm² olarak kabul edilirse bir kişi üzerine, toplam 150 000 N’luk kuvvet etki eder.

Yaklaşık 15 adet binek arabas›nın ağırlığına eşit olan bu etkinin oluşturduğu basınç vücut içi sıvı basınc› tarafından dengelenir ve bu yüzden hissedilmez.

10,5 m

Bunlar› Biliyor muydunuz ? Bunlar› Biliyor muydunuz ?

C›vanın sudan 13,6 kat daha yoğun olduğunu göz önüne alırsak Toricelli deneyinin su ile yapılması durumunda kullanacağımız borunun yukar›daki flekilde görüldü¤ü gibi 10,5 metre olması gerektiğini biliyor muydunuz?

16 44. s.

17 44. s.

(8)

Kendimizi De¤erlendirelim

yapısı görülmektedir.

Gazların basıncından birçok alanda yarar- lanırız.

• Gazlar yüksek basınca dayanıklı çelik kaplar içerisinde sıvılaştırılmış olarak depolanır.

‹htiyaç duyulduğunda bu kapların vanaları açılır. Yüksek basınçtan kurtulan sıvı,

gaz hâline geçer. Hastanelerde kullanılan oksijen tüpleri, evlerimizde kullandığımız LPG ve yangın söndürme tüpleri buna örnektir.

• Pipetle bir şeyler içerken açık hava basıncından yararlanırız. Pipetin içerisindeki havayı ciğerlerimize çekerken pipet içindeki basınç azalmış olur. ‹çtiğimiz sıvıya etki eden açık hava basıncı sıvının yükselmesini sağlar.

• Elektrikli süpürgenin içindeki hava süpürge motoruyla emilir ve düflük bas›nçl› bir ortam oluflturulur. Toz ve kir bu düşük basınçl› bölgeye kayar.

Süpürgenin torbası tozu durdururken havanın geçmesine izin verir.

• Katı, sıvı ve gazların basıncından yararlanılarak hangi teknolojik araçlar geliştirilmiştir. Bu teknolojik araçları günlük hayatımızın hangi alanlarında kullanırız?

• Bir an, bu araçların geliştirilmemiş olduğunu varsayarsak hayatımız bundan nasıl etkilenirdi?

Söz konusu araçların yokluğunda onların yerine hangi alternatif yöntemler kullanılıyordu?

Araştıralım.

Araflt›ral›m, Haz›rlanal›m Araflt›ral›m, Haz›rlanal›m

Afla¤›daki sorular› defterimize cevaplayal›m.

1. Gözde, içerisinde s›v› ya¤ bulunan bir kaba ayn› sıvıyla dolu değişik şekilli bir ucu kapal› cam borular› ters çevirerek daldırıyor. Buna göre cam borulardaki sıvı ya¤ seviyeleri için neler söylenebilir? Aç›klayal›m.

2. Şekilde görülen sıvı dolu kabın K, L, M ve N noktalarındaki sıvı basınçları arasındaki ilişki nasıldır? Büyükten küçüğe doğru sıralayalım.

3. Bazı yerleşim birimlerinde evlere verilen su, genellikle yüksek bir yere yapılmış su depolarından aktarılır. Bunu göz önüne alarak bir apartmanın zemin katındaki musluklardan akan suyun üst katlardakilere göre neden daha hızlı akt›¤›n› aç›klayal›m.

K L

M N

Deniz seviyesinden yükseklere çıkıldıkça havanın yoğunluğu azalır. Bu yüzden hava basınc›

yavaş yavaş düşer. Buna karşılık suyun yoğunluğu, havanın yoğunluğundan yaklaşık 1000 kat büyük olduğu için denizin derinliklerine inildikçe su basınc› hızlı bir şekilde artar.

Sübap Bas›nçl›

hava 18

45. s.

19 45. s.