Konu anlatımı
Suda bir taşı kaldırmak havada kaldırmaktan kolaydır; havuzda vücudumuzun hafiflediğini hissederiz. Bu alt başlıkta bu hafiflemenin nedeni olan kaldırma kuvvetini, Archimedes ilkesini ve kaldırma kuvvetinin bağlı olduğu değişkenleri nitel olarak göreceksin.
Kaldırma kuvveti nereden gelir?
Sıvıya batırılan bir cismin her yüzeyine sıvı basınç kuvveti etki eder. Yan yüzlere etkiyen kuvvetler birbirini dengeler. Alt yüzey üst yüzeyden daha derinde olduğu için alt yüzeye etkiyen basınç ve basınç kuvveti daha büyüktür. Alt ve üst yüzeylere etkiyen basınç kuvvetleri arasındaki fark cismi yukarı doğru iter; bu net kuvvete kaldırma kuvveti denir. Kaldırma kuvveti gazlarda da vardır; sıcak hava balonlarını havada tutan kuvvet budur.
Archimedes ilkesi
Bir akışkana kısmen ya da tamamen batırılan cisme, cismin yer değiştirdiği akışkanın ağırlığına eşit büyüklükte ve yukarı doğru bir kaldırma kuvveti etki eder. Matematiksel modeli Fk = V·d·g'dir; V cismin sıvıya batan kısmının hacmi, d sıvının özkütlesidir. Kaldırma kuvveti batan hacim ve sıvının özkütlesi arttıkça artar; cismin kendi özkütlesine, kütlesine ve tamamen battıktan sonra derinliğe bağlı değildir. TYT'de bu model yorum için kullanılır; kaldırma kuvveti hesaplatılmaz.
Dinamometreyle gözlem
Bir cisim dinamometreye asılıp havada tartılınca dinamometre cismin ağırlığını gösterir. Cisim bir sıvıya batırılınca dinamometrenin gösterdiği değer azalır; bu azalma cisme etkiyen kaldırma kuvvetine eşittir. Aynı cisim özkütlesi daha büyük bir sıvıya tamamen batırılırsa kaldırma kuvveti artar ve dinamometrenin gösterdiği değer daha çok azalır. Bu yolla sıvıların özkütleleri karşılaştırılabilir.
Çözümlü örnekler
Örnek 1. Aynı hacimli demir ve alüminyum bilyeler suya tamamen batırılıyor. Hangisine daha büyük kaldırma kuvveti etki eder?
Çözüm. Kaldırma kuvveti batan hacme ve sıvının özkütlesine bağlıdır, cismin kendi özkütlesine bağlı değildir. İki bilyenin hacimleri eşit ve ikisi de tamamen battığı için batan hacimler eşittir; sıvı da aynıdır. Bu yüzden iki bilyeye eşit büyüklükte kaldırma kuvveti etki eder. Demir bilye suda daha ağır gelir, ama bunun nedeni kaldırma kuvveti değil, ağırlığının büyük olmasıdır.
Örnek 2. Dinamometreye asılı bir cisim havada, suda ve tuzlu suda sırayla tartılıyor; cisim sıvılarda tamamen batıyor. Dinamometrenin gösterdiği değerleri karşılaştırınız.
Çözüm. Havada dinamometre cismin ağırlığını gösterir; havanın kaldırma kuvveti çok küçük olduğu için ihmal edilir. Suda kaldırma kuvveti etki ettiği için gösterilen değer azalır. Tuzlu suyun özkütlesi sudan büyük olduğu için tuzlu sudaki kaldırma kuvveti daha büyüktür ve dinamometre en küçük değeri tuzlu suda gösterir. Gösterilen değerler hava, su, tuzlu su sırasıyla azalır.
Sık yapılan hatalar
- Kaldırma kuvvetinin cismin özkütlesine ya da ağırlığına bağlı olduğunu sanmak.
- Tamamen batmış bir cismin derine indikçe daha büyük kaldırma kuvveti gördüğünü düşünmek.
- Kaldırma kuvvetinin yalnızca sıvılarda olduğunu sanmak; gazlarda da vardır.
- Kaldırma kuvveti, alt ve üst yüzeylere etkiyen basınç kuvvetlerinin farkından doğar.
- Fk = V·d·g: batan hacim ve sıvının özkütlesiyle artar.
- Dinamometredeki azalma kaldırma kuvvetine eşittir.