Suya çelik bir çiviyi düşürdüğünüzde neden bir taş gibi battığını merak ettiniz mi? Fakat iyi inşa edilmiş çelik bir gemi okyanusta olduğunda, küçük bir çiviye göre çok daha ağır olmasına rağmen yüzüyor? Gemiler neden batmaz ancak taş batar?
Cevap, bir cisim suyun içine konduğunda suyun kaldırmasından kaynaklanıyor. Bir küvette banyo yaparken bunu fark etmiş olabilirsiniz. Arşimet prensibi olarak bilinen kanun; su bir nesne tarafından itildiğinde, su nesne ağırlığına eşit bir kuvvet uygular.Yani su kaldırma kuvveti uygular. Nesnenin yüzdürülmesine yardımcı olan şey budur. Dolayısıyla gemiler nasıl yüzer sorusunun cevabı suyun kaldırma kuvveti uygulaması ile geminin su üzerinde durmasını sağlar. Böylece gemilerin suda yüzmesi gerçekleşir.
Perde Arkası
2200 yıldan fazla bir süre önce, Archimedes adlı bir bilim adamı banyosuna oturdu ve bir nesne suyun içine konduğunda suyun dışına çıktı. Nesne yüzmekte ise, yerinden çıkmış su(batan cismin hacmi kadar) miktarı nesne ile aynı ağırlığa sahiptir. Suya batırılan cismin hacmi kadar su cisim üzerinde bir kuvveti uygular, buna suyun kaldırma kuvveti deniyor. Su tarafından uygulanan yukarı doğru etki eden kuvvetin gücü, yerinden edilen suyun ağırlığına eşittir. Dolayısıyla, bir nesne sadece bir miktar suyun yerini tutarsa, o az miktarda suyun ağırlığı azdır ve bu nedenle de kaldırma kuvveti de küçüktür. Öte yandan, cisim çok fazla su yer değiştirirse, yukarı doğru iten büyük bir yüzer kuvvet olacaktır. Bir cisim batar mı yoksa yüzecek mi? Bu yoğunluğu ve suyun miktarını yeterince yer değiştirmesi ile oluşturulan kuvvet ile ilgilidir. Konuyu daha iyi anlayabilmek için basit kaldırma kuvveti deneyi ile gözlemleyebiliriz.
Malzemeler
• Bez havlu (veya kağıt havlu)
• Büyük, açık kase veya kap
• Su
• Aliminyum folyo
• Metrik cetvel
• Dolma kalem
• Makas
• Tükenmez kalem
• Çekiç veya palet
Hazırlık
• Havluyu veya kağıt havluları sert bir yüzeye serin. Kasenin veya kabın içerisine üçte ikisini dolduracak şekilde musluk suyu koyun.
• Yaklaşık 25 santimetre (cm) karelik bir alüminyum folyo kare ölçün. Kareyi kesin. Bu, test ettiğiniz metal “tekne” haline gelecektir.
• Kalıcı işaretli kalem ile alüminyum folyonun dört köşesini işaretleyin.
• Dikkatli olun: Daha sonra deneyde çekiç kullanacaksınız. Kuvvetin dayanabileceği ve hasar görmeye karşı dayanıklı bir yüzey üzerinde işlemi yaptığınıza emin olun.
Prosedür
• Alüminyum folyonun kare köşelerini birlikte çekin ve kare yaklaşık altı cm çapında gevşek bir top haline getirin. İşaretli köşelerin bir arada kalması ve bir noktada görünmesini sağlayın.
• Topu hafifçe su haznesine yerleştirin, işaretli köşeleri topun üstünde olacak şekilde yerleştirin; bu, topun suyla dolmasını önlemeye yardımcı olur. Hemen topa dikkat et. Batıyor veya yüzüyor mu?
• Alüminyum folyo topu göz hizasında olması için alçaltın ve topun su yüzeyinin altındaki yüzeyinin ne kadar olduğuna dikkat edin. Sualtındaki kısmı topun yüzde 10, yüzde 25, yüzde 33, yüzde 50, yüzde 67, yüzde 75, yüzde 90 veya yüzde 100’ü var mı?
• Topu kaseden çıkarın, suyunu sallayın ve havlu üzerine kurutun.
• Şimdi topu yaklaşık 5 cm çaplı bir yere biraz sıkıştırın. Eğer çok fazla buruşursanız, istenen ebatları elde etmek için alüminyum folyodan bazılarını dikkatlice ayırın.
• Yine, işaretli köşeleri üste yerleştirerek topu nazikçe suyun içine koyun. Batıyor veya yüzüyor mu? Topun yüzde kaçı suyun üstündedir? Çıkarın, topu kurutun.
• Daha küçük ve daha sıkı olacak şekilde topu parçalamaya devam edin ve (yaptığınız gibi) yüzüp yüzmediğini test edin. Top tamamen tükenene kadar daha küçük çapları test etmeye devam edin. Bu çapları (veya kabaca benzer olanları) test etmeyi deneyin: 4,0 cm, 3,0 cm, 2,5 cm, 2,2 cm, 2,0 cm, 1,8 cm, 1,6 cm. Yalnızca el kuvveti ile topu sıkmak çok zorsa, folyoyu daha küçük bir topa hafifçe vurmak için çekiç veya paletle dikkatli bir şekilde kullanın (veya bunu yapabildiğinize göre bir top şekline yakın olarak). Test ettiğiniz her çap için topun yüzde kaçı batmış?
• Top hangi çapta tabana battı? Topun en düşük veya en yoğunluğa sahip olduğu çapları bulabilir misiniz? Top hangi çapta yaklaşık su yoğunluğuna eşit bir yoğunluğa sahipti? (Top neredeyse tamamen batırılmış veya tamamen suya batmıştı, ancak kabın tabanına tamamen batmadı mı?)
• Ekstra: 25 cm kare olan en az iki ilave alüminyum folyo sacını kesin ve bu işlemi tekrarlayın. Test ettiğiniz tüm alüminyum karelerle aynı sonuçları alıyor musunuz yoksa çok fazla varyasyon var mı?
• Ekstra: Bu aktiviteyi tekrar yapabilirsiniz, ancak bu sefer alüminyum tabakayı bir ölçekte tartıp gram cinsinden kütlesi hesaplayabilirsiniz. Bir kürenin hacminin, yarıçapının küpünün pi (3.14) katının dörtte üç misline eşit olması gerçeğini kullanarak, her bir çap için küre hacmini hesaplayın.
V=3/4×3,14xr^3
Kütle ve hacimleri kullanarak, kütleyi hacme bölürek her bir çap alüminyum levhanın ortalama yoğunluğunu hesaplayın. Alüminyum bilya hangi yoğunlukta battı? Alüminyum top yaklaşık olarak hangi yoğunluğa eşitti? Kürenin her çapı için yerinden edilen su kütlesi nedir? Daha doğru sonuçlar için ek 25 cm alüminyum kareleri test etmeye devam edin.
Gözlemler ve sonuçlar
Topun çapı azaldığında topun suyun altına gelen kısmında nasıl bir değişim yaşandı? Top yaklaşık 2,5 cm çapında iken su altındaki kısmı topun yarısı kadar olup, çapı yaklaşık 1,6 cm veya daha küçük olduğunda top tamamiyle gömüldü mü?
Bir nesne suya dalıyorsa, yerinden çıkmış su miktarı nesne ile aynı ağırlığa sahiptir. Dolayısıyla, yüzerken, topun çapı azaldığında aynı miktarda su yerinden çıkarmış olamıyordu ve bu nedenle kaldırma kuvveti aynı kalmadı. Bununla birlikte, topun yoğunluğu değişiyordu-topun çapı azaldığında yoğunluğu arttı.
Yoğunluk, birim hacim başına kütle-bir hacmine ne kadar “malzeme” konduğunu açıklar. Alüminyum bilye 6.0 cm’lik bir çapa sahip olduğunda, topun içindeki hava içerdiği için suyun yoğunluğundan daha düşük bir yoğunluğa sahip olduğu için topun iyi yüzmesi gerekir; tıpkı yüzen uçabilen çelik gemiler gibi yoğunlukları düşürüldü. Gövde içindeki havayı sarmalamaktadır. Ve gemi güçlü bir kaldırma kuvveti oluşturmak için yeterince su yer değiştirdiği müddetçe, kargo ile yüklü olsa bile, suyun üzerinde kalabilir. Çapı düştükçe ve yoğunluk arttıkça, top dahada batmaya başladı. Çapı yaklaşık 1,8 cm veya 1,6 cm olduğunda, yüzde 90 oranında (ancak zar zor) batmış olduğunu görmüş olabilirsiniz. Bu, top suyunkine yaklaşık bir yoğunluğa sahip olduğu zamandır. Yaklaşık 1,6 cm veya daha küçük bir çapa sahip topun tamamen batması gerekir; bu, yoğunluğunun suyunkinden büyük olduğunu ve dolayısıyla yüzen kuvvetin üstesinden geldiğini gösterir.
