Giriş
Fiziksel dünya ile karşılaştığımızda bir cisim sıvı ya da gaz içinde yer alıyorsa, yukarı yönlü bir kuvvet tarafından desteklendiğini görürüz. Bu kuvvet genellikle kaldırma kuvveti (ya da “buoyancy force”) olarak adlandırılır. Peki, bu kuvvet ne zaman cismin ağırlığına eşitTarihsel Arka Plan
İlk kez bu konuya ışık tutan isimlerden biri antik Yunan filozofu‑matematikçi Arşimet (MÖ 287‑212) olmuştur. Arşimet’in “Yüzen Cisimler Üzerine” adlı eserinde, bir cismin sıvıya daldırıldığında yer değiştirdiği sıvının ağırlığı kadar bir yukarı kuvvetle karşılandığı belirtilmiştir. ([Vikipedi][1]) Bu fikir daha sonra “Arşimet Prensibi” (Archimedes’ principle) olarak fizik literatürüne girmiştir. Zaman içinde, bu prensip hem gemicilik, su altı araçları, ponör sistemler gibi mühendislik uygulamalarında hem de temel fizik eğitiminde yer almıştır. Örneğin bir gemi suya bırakıldığında, su seviyesi yükselir ve gemi batma sınırına kadar alçalarak yer değiştirdiği suyun ağırlığı geminin ağırlığına eşitlenince dengede durur. ([Encyclopedia Britannica][2]) Böylece “kaldırma kuvveti = cismin ağırlığı” durumu, denge (yüzen durumda) için bir kriter haline gelmiştir. Bir cismin sıvı veya gaz gibi bir akışkan içindeki durumu incelendiğinde iki ana kuvvet vardır: Arşimet prensibine göre, cismin sıvı tarafından yer değiştirilmiş akışkan hacmi ( V_{\rm disp} ) ve akışkan yoğunluğu ( \rho_f ) için: [ F_b = \rho_f , V_{\rm disp} , g ] ([Physics LibreTexts][3]) Bir cismin dengede, yani ne batıp ne de yükseliyorsa olduğu durumda, net kuvvet sıfırdır: [ F_b = W = m,g ] Bu durumda yer değiştirmiş akışkanın ağırlığı cismin ağırlığına eşittir: [ \rho_f , V_{\rm disp} , g = m,g ;;\Rightarrow;; m = \rho_f , V_{\rm disp} ] Yani cismin ortalama yoğunluğu akışkanın yoğunluğuna eşitse, kaldırma kuvveti cismin ağırlığına eşit olur. ([Vikipedi][4]) Cevabı özetle: bir cisim akışkan içinde dengede kaldığında — yani batmadan yükselmeden “yüzer” durumda olduğunda — kaldırma kuvveti ağırlığa eşit olur. Aşağıdaki durumlarda bu geçerlidir: Olmazsa: Klasik fizik eğitimi açısından yukarıdaki açıklama yeterlidir. Ancak güncel çalışmalar bazı özel koşullarda bu eşitliğin bozulabileceğini göstermektedir: Dolayısıyla: koşullar ideal değilse veya cisim sabit bir derinlikte değilse, “kaldırma kuvveti = ağırlık” eşitliği geçici ya da yaklaşık olabilir. Özetle, bir cismin akışkan içinde kaldırma kuvvetinin ağırlığına eşit olduğu durum denge halinde olduğu, yani ne yükseldiği ne battığı andır. Bu eşitlik altında cismin ortalama yoğunluğu akışkanın yoğunluğuna eşittir ve yer değiştirdiği akışkan hacmi ile ilişkili olarak açıklanabilir. Ancak pratikte akışkanın özellikleri, cisim‑akışkan etkileşimi, dinamik koşullar gibi faktörler bu durumu bozabilir. Dolayısıyla bu konu hem temel fizik açısından hem de uygulamalı mühendislik açısından hâlâ dikkatle ele alınmaktadır. #kaldırmakuvveti #ağırlık #ArşimetPrensibi #akışkanlarmekaniği #denge Bu yazı, konuya giriş niteliğinde olup hem tarihsel kökeni hem de güncel akademik yönleriyle ilgi çekici bir bakış sunmaktadır. [1]: “Archimedes’ principle” [2]: “Archimedes’ principle | Description & Facts | Britannica” [3]: “14.6: Archimedes’ Principle and Buoyancy – Physics LibreTexts” [4]: “Buoyancy” [5]: “Using surface integrals for checking the Archimedes’ law of buoyancy” [6]: “Neutral buoyancy”Teorik Açıklama
– Aşağı yönlü, cismin ağırlığı yani ( W = m g )
– Yukarı yönlü, akışkanın uyguladığı kaldırma kuvveti ( F_b )Kaldırma Kuvveti = Ağırlık Ne Zaman Olur?
– Cisim yüzüyor ya da tamamen daldırılmış durumda ama sabit bir derinlikte hareket etmiyorsa.
– Cismin yoğunluğu akışkanın yoğunluğuna eşit ya da hacmiyle yer değiştirdiği akışkanın ağırlığı cismin ağırlığını karşılıyorsa.
– Ek dış kuvvetler (örneğin ip gerilimi, manyetik kuvvetler) yoksa ve statik denge var ise.
– Kaldırma kuvveti > ağırlık → cisim yükselir.
– Kaldırma kuvveti < ağırlık → cisim batar ya da çöker. ([Physics LibreTexts][3])
Günümüzdeki Akademik Tartışmalar
– Akışkan yoğunluğu sabit değilse, heterojen bir sıvı ya da değişken yoğunluklu gaz ortamında, hacim değişimi veya sıkışma etkileri oluşabiliyor. Örneğin bir cisim kapalı bir yüzeye temas ediyorsa ya da akışkan içindeki sınır koşulları farklıysa, klasik Arşimet prensibinin doğrudan uygulanamayacağı uyarıları yapılıyor. ([arXiv][5])
– Yüzey gerilimi, kabarcıklar, gaz cepleri gibi mikro etkiler, temiz akışkan koşullarında düşünülmeyen ekstra kuvvetler yaratabilir. Bu durumlarda kaldırma kuvveti tam olarak “yer değiştirilmiş sıvının ağırlığı”na eşit olmayabilir.
– Denizaltılar, dalgıçlar, havadan ağır ama hacmi büyük cisimlerle yapılan çalışmalar “nötr kaldırma” (neutral buoyancy) halini detaylı incelemektedir. ([Vikipedi][6])
– Mühendislik uygulamalarında cisim–akışkan etkileşimi, hareketli akışkan ortamları, yoğunluk değişimleri ve dinamik kuvvetler altında “denge” halinin olmayışı durumları ayrıca çalışılmaktadır.Sonuç
Etiketler