Basınç, sıvı basıncı, açık hava basıncı, kaldırma kuvveti ve Bernoulli ilkesi üzerine kapsamlı konu anlatımı
Basınç, birim yüzeye dik olarak etki eden kuvvetin büyüklüğüdür. Katı, sıvı ve gaz hâlindeki maddelerin tamamı temas ettikleri yüzeylere basınç uygular. Basınç P sembolü ile gösterilir. Matematiksel modeli:
Burada F, yüzeye dik uygulanan kuvvet (N), A ise yüzey alanıdır (m²). Basıncın SI birimi Pascal (Pa) olup 1 Pa = 1 N/m² dir.
Katı cisimler ağırlıkları nedeniyle bulundukları zemine basınç uygular. Katı basıncı, cismin ağırlığı ile doğru orantılı, temas eden yüzey alanı ile ters orantılıdır. Yani ağırlık arttıkça basınç artar, yüzey alanı arttıkça basınç azalır.
Örnek: İnce topuklu ayakkabı ile karda yürümek zordur çünkü küçük yüzey alanı basıncı artırır ve ayak kara batar. Kar ayakkabısı ise geniş yüzeyi ile basıncı azaltarak batmayı önler.
Not: Katı basıncında, cismin ağırlığı değişmezken yüzey alanı değiştiğinde basınç değişir, ancak yere uygulanan kuvvet (ağırlık) değişmez. Cismin farklı yüzeyleri zemine temas ettirildiğinde, temas alanı değiştiği için basınç değişir.
Sıvılar, ağırlıkları nedeniyle içinde bulundukları kabın tabanına ve yan yüzeylerine basınç uygular. Sıvı basıncı, sıvının yoğunluğuna (d), yer çekimi ivmesine (g) ve sıvı içindeki noktanın serbest yüzeye olan dik uzaklığına (derinlik, h) bağlıdır.
Burada h derinlik (m), d yoğunluk (kg/m³), g yer çekimi ivmesi (m/s²) olup basınç birimi Pascal’dır.
Sıvılar sıkıştırılamaz olarak kabul edilir. Kapalı bir kaptaki sıvıya uygulanan basınç, sıvı tarafından her noktaya eşit büyüklükte ve dik olarak iletilir. Bu ilke Pascal Yasası olarak bilinir.
Pascal Yasası’na göre, sıvının serbest yüzeyine uygulanan bir kuvvetin oluşturduğu basınç değişimi, sıvının temas ettiği tüm yüzeylere aynen iletilir. Bu yasa hidrolik sistemlerin temelini oluşturur.
Dünyamızı saran atmosfer tabakasında bulunan gaz moleküllerinin ağırlığı nedeniyle yeryüzündeki her cisme uyguladığı basınca açık hava basıncı (atmosfer basıncı) denir.
Açık hava basıncı, deniz seviyesinde yaklaşık 101.325 Pa (1 atm) değerindedir. Yükseklik arttıkça atmosferin yoğunluğu ve kalınlığı azaldığı için açık hava basıncı azalır.
Torricelli deneyi ile açık hava basıncı ilk kez ölçülmüştür. Cıva dolu bir tüp, cıva dolu kaba ters çevrildiğinde cıva seviyesi deniz seviyesinde 76 cm yüksekliğinde kalır. Bu, açık hava basıncının 76 cm Hg’lik cıva basıncına eşit olduğunu gösterir.
Açık hava basıncı, barometre ile ölçülür. Basınç düştüğünde hava genellikle yağışlı, yükseldiğinde açık hava beklenir.
Sıvı veya gaz içine bırakılan cisimlere, akışkan tarafından yukarı yönde uygulanan kuvvete kaldırma kuvveti denir. Kaldırma kuvveti, cismin alt ve üst yüzeylerindeki basınç farkından kaynaklanır. Cismin alt yüzeyi daha derinde olduğu için basınç daha büyüktür ve bu fark, cisme yukarı yönlü bir net kuvvet uygular.
Burada Vbatan, cismin akışkan içine batan hacmi (m³); d, akışkanın yoğunluğu (kg/m³); g, yer çekimi ivmesidir (m/s²). Kaldırma kuvveti Newton (N) cinsinden ölçülür.
Arşimet İlkesi: Bir cismin tamamı veya bir kısmı durgun bir akışkana batırıldığında, akışkanın cisme uyguladığı kaldırma kuvveti, cismin yer değiştirdiği akışkanın ağırlığına eşittir.
Akışkanların (sıvı ve gazlar) hareketi sırasında hızları ile basınçları arasında ters ilişki vardır. Daniel Bernoulli’nin ortaya koyduğu ilkeye göre, bir akışkanın hızı arttığında basıncı azalır, hızı azaldığında basıncı artar.
Bernoulli İlkesi: Bir boru veya kanal içinde akan akışkanın hızı arttıkça, akışkanın uyguladığı basınç azalır.
Venturi tüpü bu ilkeyi gösteren klasik bir düzenektir. Tüpün daralan kesitinde akışkan hızlanır, basınç düşer; genişleyen kesitte hız azalır, basınç artar. Bu etki, akış hızı ölçümlerinde kullanılır.
Tansiyon ölçümü ve kan akışındaki daralmaların etkileri Bernoulli ilkesiyle açıklanır. Damarlardaki daralmalar kanın hızını artırır, basıncı düşürür, bu da türbülans ve sağlık sorunlarına yol açabilir.