Konu anlatımı
Tonlarca çelikten yapılmış bir gemi yüzerken küçük bir çivi suda batar. Bu alt başlıkta bir cismin yüzmesini, askıda kalmasını ya da batmasını belirleyen koşulları ve bu koşulların gemi, denizaltı ve balon gibi uygulamalarını göreceksin.
Üç durum
Bir cisim sıvıya bırakıldığında kaldırma kuvveti ile ağırlığı karşılaştırılır. Yüzen cismin bir kısmı sıvının dışındadır, kaldırma kuvveti ağırlığa eşittir ve cismin özkütlesi sıvınınkinden küçüktür. Askıda kalan cisim tamamen batmıştır ama dibe inmez, sıvının içinde bırakıldığı yerde durur; kaldırma kuvveti ağırlığa eşittir ve cismin özkütlesi sıvınınkine eşittir. Batan cisimde tamamen batmış olsa bile kaldırma kuvveti ağırlıktan küçüktür ve cisim dibe iner; cismin özkütlesi sıvınınkinden büyüktür. Dipteki cismin ağırlığını kaldırma kuvveti ile kabın tabanının uyguladığı tepki kuvveti birlikte dengeler.
Aynı cisim, farklı sıvılar
Aynı cisim farklı sıvılarda yüzüyorsa her sıvıda kaldırma kuvveti cismin ağırlığına eşittir; yani kaldırma kuvvetleri eşittir. Batan hacim ise sıvının özkütlesine bağlıdır: özkütlesi büyük sıvıda cisim daha az batar. Bir cisim bir sıvıda yüzüp başka bir sıvıda batıyorsa ilk sıvının özkütlesi cismin özkütlesinden büyük, ikincisininki küçüktür. Birbirine karışmayan iki sıvının bulunduğu kapta özkütlesi iki sıvınınkinin arasında olan bir cisim, ara yüzeyde kısmen birinde, kısmen öbüründe durur.
Gemi, denizaltı ve balon
Gemiler çelikten yapılsa da içleri boş olduğu için ortalama özkütleleri suyunkinden küçüktür; büyük hacimleri çok miktarda su yer değiştirir ve yüzerler. Denizaltılar tanklarına su alarak ortalama özkütlelerini artırır ve dalar, tanklardaki suyu basınçlı havayla boşaltarak yüzeye çıkar; tanklar uygun doldurulunca askıda kalır. Balıklar yüzme keseleriyle benzer bir ayar yapar. Sıcak hava balonunda ısıtılan havanın özkütlesi dışarıdaki havanınkinden küçük olduğu için havanın kaldırma kuvveti balonu yükseltir. Tuz oranı çok yüksek olan Lut Gölü'nde insanların kolayca yüzebilmesi de suyun özkütlesinin büyüklüğündendir.
Çözümlü örnekler
Örnek 1. Özdeş üç cisimden biri X sıvısında bir kısmı dışarıda kalacak biçimde yüzüyor, biri Y sıvısında tamamen batmış olarak askıda kalıyor, biri de Z sıvısının dibine batıyor. Sıvıların özkütlelerini ve cisimlere etkiyen kaldırma kuvvetlerini karşılaştırınız.
Çözüm. Cisimler özdeş olduğu için ağırlıkları ve özkütleleri eşittir. X'te yüzen cisim için X'in özkütlesi cisminkinden büyük, Y'de askıda kalan cisim için Y'nin özkütlesi cisminkine eşit, Z'de batan cisim için Z'nin özkütlesi cisminkinden küçüktür; sıralama X > Y > Z olur. Yüzen ve askıda kalan cisimlerde kaldırma kuvveti ağırlığa eşit, batan cisimde ağırlıktan küçüktür. Bu yüzden X ve Y'deki cisimlere etkiyen kaldırma kuvvetleri eşittir ve Z'dekine etkiyenden büyüktür.
Örnek 2. Bir denizaltı yüzeyde yüzerken dalmak, sonra belirli bir derinlikte durmak ve yeniden yüzeye çıkmak istiyor. Bunu nasıl başarır?
Çözüm. Denizaltının dış hacmi değişmez; tamamen battıktan sonra kaldırma kuvveti sabit kalır. Dalmak için tanklarına deniz suyu alır; ağırlığı artar, ortalama özkütlesi deniz suyununkini aşar ve batmaya başlar. Belirli bir derinlikte durmak için tanklardaki su miktarını ortalama özkütlesi deniz suyununkine eşit olacak biçimde ayarlar ve askıda kalır. Yüzeye çıkmak için tanklardaki suyu basınçlı havayla dışarı atar; ağırlığı azalır ve kaldırma kuvveti ağırlığından büyük olur.
Sık yapılan hatalar
- Batan cisme kaldırma kuvveti etki etmediğini sanmak.
- Aynı cismin farklı sıvılarda yüzerken farklı kaldırma kuvvetleri gördüğünü düşünmek; yüzen cisimde kaldırma kuvveti hep ağırlığa eşittir.
- Ağır cisimlerin hep battığını sanmak; yüzmeyi ortalama özkütle belirler.
- Yüzme: kaldırma kuvveti ağırlığa eşit, cismin özkütlesi sıvınınkinden küçük.
- Askıda kalma: kaldırma kuvveti ağırlığa eşit, özkütleler eşit.
- Batma: kaldırma kuvveti ağırlıktan küçük, cismin özkütlesi sıvınınkinden büyük.