SINIFÖĞRETMENİM.COM

Okul Öncesi, İlkokul, Ortaokul, Lise Tüm Dersler © 2017 Üyelik Gerektirmez


KALDIRMA KUVVETİ

Akışkan olan suyun ve havanın sahip olduğu bazı özellikler, gezegenimizde pek çok canlı llirünün yaşamasını ve gelişmesini sağlamış, bu maddelerin bir takım özelliklerden teknik anlamda yararlanabilmek ise konuya ilgi duyan insanların yaptıkları çalışmalarla mümkün olmuştur.

Suda yüzen bir ağaç parçasından esinlenerek ahşap bir sandalın yüzdürülmesiyle başlayan süreç, günümüzde milyonlarca newton ağırlığındaki gemilerin yüzdürülmesiyle devam etmiştir. Bu devasa gemilerin sularda nasıl yüzdürüldüğünü hiç düşündünüz mü? Kocaman denizaltılann kimi zaman su yüzeyinde kimi zaman da suyun derinliklerinde kontrollü olarak nasıl hareket ettiğim hiç düşündünüz mü?

İnsanların havanın özelliklerinden yararlanarak günlük yaşamda elde ettikleri bir takım avantajlara ulaşmaları da yine çok uzun zaman almıştır. Bu alanda değişik rivayetler olmasına rağmen genel olarak kabul gören düşünceye göre ilk uçan makine 15. yüzyılın ikinci yansında Leonardo da Vinci (Leonardo da Vinsi) tarafından tasarlanmıştır.

Bu makinelerin ilkinin uçurulması ise 20. yüzyılda (17 Aralık 1903) Wright (Rayt) kardeşler tarafından başarılmıştır. İlk uçağın tasannu ile uçurulması arasında neden yaklaşık 450 yıl gibi uzun bir süre beklenmiştir? Önceleri sadece 12 s süren uçuşlardan, günümüzde yakıt miktarına da bağlı olarak onlarca saat sürebilecek uçuşlara geçilmiştir. Binlerce newton ağırlığındaki bu araçlan havada tutan etki nedir?

Bütün bunların yanında kocaman iş makinelerinde tekerlek yerine neden paletlerin tercih edildiğim, balık adamların suyun derinliklerine dalarken neden özel giysiler giydiklerini veya içerisi vakumlanmış bir kutunun hangi etkiyle içe doğru çöktüğünü hiç merak ettiniz mi?

1.Sıvılarda Kaldırma Kuvveti

Deniz, göl ve akarsularda büyüklükleri ve cinsleri birbirinden farklı olan pek çok cisim görürüz. Bu cisimlerin kimi su yüzeyinde yüzer, kimi su içerisinde farklı derinliklere iner, kimi de dibe batar. Cisimlerin sudaki konumlarım belirleyen etki sizce ne olabilir?

 

Kütlenin madde miktan ile ilgili bir özellik olduğunu ve madde miktan değişmediği sürece daima sabit kaldığını öğrenmiştiniz. Bir kuvvet olan ağırlığın ise maddenin küt­lesine etki eden bir çekim kuvveti olduğunu biliyorsunuz. Kütlesi aym olan eşit yüksek liklerdeki cisimlerin ağırlıklan değişmez. Buna göre karada kaldırmakta zorlan dığımız bir cismi suda neden daha kolay kaldırabildiğimizi hiç düşündünüz mü?

Ünlü bilim insanı Archimedes (Arşimet) de bu sorulara benzer bir soruyla günümüzden yaklaşık 2200 yıl önce karşı karşıya gelmiştir. Anlatılanlara göre göre Archimedes’in yaşadığı ülkenin despot kralı Hiero, Ölümsüz Tannlar tapmağına konmak üzere şehrin tanınmış altın işlemecilerinden birine som altından bir taç yapmasını emreder. Altın işlemecisi de kralın istediği tacı yaparak istenilen sürede teslim eder. Fakat kral yapılan bu tacı gördüğünde tacın içine gümüş karıştırılmış olabileceğinden şüpheye düşer. Ancak bunu ispat etmek hiç de kolay değildir. Çünkü bu düşüncesini ispat edebilmesi için tek seçenek yapılan tacı eritip küp biçiminde dökerek aynı büyüklükteki bir küp som altınla tartarak karşılaştırmaktır. Ama bunu yaptığında işlenmiş güzelim taç da ortadan kalkmış olacaktır. Bundan dolayı kral da döneminin ünlü bilim insanı Archimedes’ten bu sorununu çözmesini ister.

Söylentiye göre Archimedes bir gün banyo yapmak için su dolu bir küvete girer. Küvetin kenarlarından taşan suyun ağırlığı ile kendi vücudunun suya batan hacmi arasın­da bir ilişki olduğu sonucuna ulaşır. Çok heyecanlanan Archimedes “Buldum, buldum!” diyerek sokağa farlar. Peki, Archimedes’i bu kadar heyecanlandıran, sorunun çözümü ile ilgili aklına gelen fikir nedir?

Archimedes su içine batmlan cisimlerin su seviyesinde yükselmeye neden olduğunu fark ederek tamamen su dolu bir kaba atılan bir cismin şekline bağlı olmaksızın su içine batan kısmının hacmi kadar su taşıracağı sonucuna ulaşmıştır.

Bir maddenin yoğunluğu kütle ve hacme doğrudan bağlı olduğundan Archimedes için çözüm artık çok basittir. Tamamen su dolu bir kaba taç batınlar ak tacın hacmince suyun taşması sağlanmalı ve taşan suyun hacmine eş hacimde som altın parçası ile tacın ağırlığı karşılaştırılmalıydı. Bu çalışma sonunda kralın tacının saf altından yapılmadığının ortaya çıkması ile altın işlemecisi işlediği suçun cezasını hayatı ile öder ve idam edilir.

Archimedes’in yaşadığı söylenen bu olay sırasında tacın altın olmadığım ispat etmesi yanında cisimlerin sudaki ağırlıklarının havadaki ağdıklarına göre daha az olduğunu gözlediği söylenir.

Bir taşın hava ve sudaki ağırlıkları bir dinamometre yardımı ile ölçüldüğünde taşın sudaki ağırlığının havadaki ağırlığından daha az olduğu görülür. Bunun nedeni su içeri­sinde bulunan taşın ağırlığına zıt yönde bir kuvvetin etki etmesidir. Yukarıdaki şekilde de görüldüğü gibi cismin ağırlığına zıt yönde etki eden bu kuvvete kaldırma kuvveti denir. Cisim sıvı tarafından uygulanan bu kaldırma kuvveti ile yukarı doğru itilir. Dolayısıyla cismin sıvıdaki ağırlığı havadaki ağırlığından, sıvının uyguladığı kaldırma kuvveti kadar azalmış olur. Acaba cisimler üzerine etki eden bu kuvvetin değeri her zaman aynı mıdır? Kaldırma kuvvetinin değerini etkileyen faktörler var mıdır?

Evimizde bir kap su içine pişmemiş bir yumurtayı bıraktığımızda büyük ölçüde suya battığım görürüz. Yumurtanın içinde olduğu bu kaba azar azar yemek tuzu ilave ettiğimizde ise aynı yumurtanın ilave edilen tuz miktarı artıkça yavaş yavaş sıvının yüzeyine doğru yükselerek bir süre sonra suda yüzmeye başladığını görürüz. Sizce bunun sebebi ne olabilir? Yumurtanın başta büyük bir kısmı su yüzeyinin altında iken onu su yüzeyine doğru çıkaran etki ne olabilir?

Bu olayda yumurtanın kütlesinde bir değişim olmadığına göre yumurtayı su yüzeyine çıkaran etki suya atılan yemek tuzunun etkisi ile değişen ortamın uyguladığı kaldırma kuvvetinin değerindeki artıştır. Suya eklenen tuz sayesinde başlangıçta düşük olan sıvı yoğunluğu giderek artmış, bu artış kaldırma kuvvetinin değerinin de artmasına neden olmuştur. Artan kaldırma kuvvetinin değeri ile başlangıçta batmış olan yumurta yavaş yavaş su yüzeyine çıkmıştır. Aynı olayı sıvı yağ kullanarak yapmış olsaydık nasıl bir sonuçla karşılaşırdık? Arkadaşlarınızla tartışarak açıklayınız.

Kâğıttan bir kayık yapınız ve bu kayığı su dolu bir kap içine koyunuz. Kâğıt kayığın su içine batma seviyesini belirledikten sonra bu kayık içine ataç, iğne vb. ufak cisimler koyarak su içinde kalan kısmında artış olup olmadığım gözleyiniz. Konulan cisimlerin sayısına bağlı olarak kayığın su içine batan kısmının hacmindeki artışın nedeni kayığın artan ağırlığını dengelemek için su içinde kalan kısmın hacmindeki artış olabilir mi?

Yukarıdaki bilgiler ışığında kaldırma kuvvetinin, cismin içine batırıldığı sıvının cinsine ve cismin batan kısmının değerine doğrudan bağlı, sıvı içine batırılan cismin şeklinden bağımsız olduğunu söyleyebiliriz. Gaz maddelerin yoğunluğu daima sıvı maddelerin yoğunluğundan küçüktür. Dolayısıyla gazların (havanın) kaldırma kuvveti de sıvıların kaldırma kuvvetinden küçük olacağından dinamometre ile hava ortamında ölçtüğümüz bir cismin ağırlık değeri suda ölçülen değerlerinden farklıdır. Sudaki cismin kütlesi ve cisme uygulanan çekim kuvveti değişmediği hâlde ölçümler arasında ortaya çıkan bu fark, cisme uygulanan kaldırma kuvvetlerindeki farklılıklardan kaynaklanır. Su tarafından, çekim kuvvetine zıt yönde cisme uygulanan kaldırma kuvvetinin değeri, hava tarafından uygulanan kaldırma kuvvetinden daha büyüktür. Bu nedenle kaldırma kuvvetinin havadaki bir cismin ağırlığına olan azaltıcı etkisi, sıvıdaki cisimlere uygula­nan etkiden daha az olacaktır.

Ömek

Tamamen su içerisine batabilen bir cismin havadaki ağırlığı 28 N, sudaki ağırlığı ise 22 N olarak ölçülüyor. Su tarafından cisme uygulanan kaldırma kuvveti kaç N’dur?

Çözüm

Cismin havadaki ağırlığı: 28 N Cismin sudaki ağırlığı: 22 N Kaldırma kuvveti = 28 - 22 = 6 N olur.

2 Gazlarda Kaldırma Kuvveti

Çocuklara alınan uçan balonların neden çocukların bileklerine ya da ellerine bağlandığını düşündünüz mü? Ulaşım amaçlı kullanılan balonlar, belli ağırlıkları olmasına rağmen sizce nasıl uçabilmektedir? Yerküre bu cisimlere bir çekim kuvveti uygulamıyor mu? Sıvı maddeler için incelediğimiz kaldırma kuvveti gaz hâlinde olan maddeler için de geçerli midir? Sıvı maddelerin içinde bulunan cisimlere yer çekim kuvvetine zıt yönde bir kaldırma kuvveti uyguladığı gibi gaz hâlindeki maddeler de içlerindeki cisimlere kaldırma kuvveti uygularlar mı?

Şekildeki gibi içi hava dolu olan bir kabın içerisine hacmi V olan bir cisim yerleştirerek cismin bağlı olduğu dinamometre yardımı ile ağırlığını ölçelim. Cismin ağırlığım ölçtükten soma kabın içindeki havayı vakumlayarak havasız ortamda bulunan cismin ağırlığım tekrar ölçelim. Acaba her iki durumda da cismin ağırlığı aynı mıdır?

Yapılan deneylerden cismin ağırlığının havalı ve havasız ortamlarda farklı olduğu görülmüştür. Havalı ortamda bulunan cismin ağırlığı havasız ortamda ölçüm sonucu bulunan değerden küçüktür. Bulunan değerler kap içindeki cismin hacmine bağh olarak farklılık göstermektedir. Bu deneyden de anlaşılacağı üzere kap içinde hava varken cis­min hacmine bağh olarak değişen ve yerçekimi kuvveti ile zıt yönlü bir kuvvet cisme etki etmektedir. Cismin ağırlığına zıt yönde etki eden bu kuvvet havalı ortamda cisme hava tarafından etki eden kaldırma kuvvetidir. Cismin hacmi değiştikçe cisme etki eden kaldırma kuvvetinin değeri de değişmektedir.

Farklı gazlarla aym düzeneği kullanarak deneyi tekrarladığımızda, balonun ölçülen ağırlık değerleri kap hava ile dolu iken ölçülen değerden farklı olacaktır. Benzer şekilde özdeş iki balondan birine karbon dioksit, diğerine hidrojen gazı dolduralım. Hidrojen gazı ile doldurulan balon uçarken karbon dioksitle doldurulmuş olan balonun uçmaması balonların içindeki maddelerin farklılığından dolayısı ile yoğunluk farklılığından kaynaklanmaktadır.

Bu gözlemlerden de anlaşılacağı gibi balona etki eden kaldırma kuvveti, balonun sadece hacmine değil tıpkı sıvılarda olduğu gibi ortamı oluşturan maddenin emsine de bağh olarak değişim gösterir.

Sıvıların cisimlere uyguladığı kaldırma kuvveti gibi havanın da cisimlere uyguladığı kaldırma kuvveti olduğunu gördük. Bu kuvvet; çekim kuvveti ile zıt yönde olup değeri, cismin hacminden dolayı yer değiştiren havanın ağırlığına eşittir. Yani Archimedes’in sıvı maddeler için ortaya koyduğu prensipler gazlarda da geçerlidir. Bu kuvvet sayesinde zeplinler, sıcak hava balonlan, meteoroloji balonlan gibi cisimler havada hareket edebilmekledir.

Bu araçların havada nasıl kaldıklarım beraberce inceleyelim. Akışkan bir madde olan hava ortamı içerisine konulmuş olan balon, gaz sızdırmaz ipekli veya pamuklu kumaştan ya da plastik maddelerden yapılır. Balonun havada uçabilmesi için ortalama yoğunluğunun havanın yoğunluğundan daha az olan bir madde ile doldurulması gerekir. Bu amaçla balonların uçurulmasında iki farklı metot kullanılır:

Balon içerisindeki hava ısıtılabilir. Isınan hava, moleküllerindeki hareket artışından dolayı daha büyük hacmi doldurmak ister. Bu yüzden balon içerisindeki moleküllerin bir kısmı dışan çıkar ve balonla balonun sınırladığı iç bölgede oluşan sistemin ortalama yoğunluğu azalır. Böylece balona uygulanan kaldırma kuvvetinin değeri, balona uygulanan çekim kuvveti olan ağırlıktan büyük olduğu için balon yükselir.

Soğuk havanın yoğunluğu sıcak havanın yoğunluğundan büyük olduğu için aynı hacmi dolduran soğuk havanın kütlesi sıcak havanın kütlesinden büyüktür.

Balon içerisine havadan daha hafif olan helyum veya hidrojen gibi başka bir gaz doldurulabilir.

Her iki durumda da balon havada yükselir. Bir uçan balonun irtifasının (yerden yüksekliğinin) kontrolü, balon ve içindeki gazdan oluşan sistemin yoğunluğunun değiştirilmesi ile sağlanır. Yani sistemin yoğunluğu azaltılırsa balon irtifa kazanır, tersi yapılırsa irtifa kaybeder.


Benzer İçerikler:

Çocuk Oyunları

Reklam
Şu anda 629 ziyaretçi çevrimiçi
Reklam