Kaldırma kuvveti, teknelerin ve plaj toplarının suda yüzmesini sağlayan kuvvettir. Dönem kaldırma kuvveti "Sıvı" terimi, bir sıvının (ya bir sıvı ya da bir gaz), kısmen ya da tamamen sıvıya daldırılmış bir nesneye uyguladığı yukarıya doğru kuvvet anlamına gelir. Kaldırma kuvveti, nesneleri su altında neden karadan daha kolay kaldırabileceğimizi de açıklar.
Önemli Çıkarımlar: Kaldırma Kuvveti
- Kaldırma kuvveti terimi, bir akışkanın, kısmen veya tamamen akışkanın içine daldırılmış bir nesne üzerine uyguladığı yukarı yönlü kuvveti ifade eder.
- Kaldırma kuvveti, hidrostatik basınçtaki farklılıklardan kaynaklanır - statik bir sıvı tarafından uygulanan basınç.
- Arşimet prensibi, bir sıvıya kısmen veya tamamen daldırılmış bir cisme uygulanan kuvvetin, cisim tarafından yer değiştiren sıvının ağırlığına eşit olduğunu belirtir.
Eureka Anı: Yüzdürmenin İlk Gözlemi
Romalı mimar Vitruvius'a göre, Yunan matematikçi ve filozof Arşimet 3. yüzyılda ilk yüzdürme kuvveti M.Ö. Syracuse Kralı II. Hiero'nun kendisine yönelttiği bir sorun üzerinde kafa karıştırırken. Kral Hiero, bir çelenk şeklinde yapılan altın tacının aslında saf altından değil, daha ziyade altın ve gümüşün bir karışımı olduğundan şüphelendi.
İddiaya göre, banyo yaparken Archimedes küvete ne kadar çok batırılırsa, oradan daha fazla su aktığını fark etti. Bunun çıkmazın cevabı olduğunu fark etti ve “Eureka!” Diye ağlayarak eve koştu. (“Ben buldum!”) Sonra iki kişi yaptı taç ile aynı ağırlıkta olan ve her birini ağzına kadar dolu bir kaba düşüren nesneler - bir altın ve bir gümüş - Su.
Arşimet, gümüş kütlenin gemiden altından daha fazla su akmasına neden olduğunu gözlemledi. Daha sonra, "altın" tacının, iki taç aynı ağırlıkta olmasına rağmen, yarattığı saf altın nesneden daha fazla suyun akmasına neden olduğunu gözlemledi. Böylece Arşimet, tacının gerçekten gümüş içerdiğini gösterdi.
Bu masal yüzdürme prensibini göstermesine rağmen, bir efsane olabilir. Arşimet asla hikayeyi kendisi yazmadı. Ayrıca, uygulamada, altın için gerçekten az miktarda gümüş takas edildiyse, yer değiştiren su miktarı güvenilir bir şekilde ölçülemeyecek kadar küçük olacaktır.
Yüzdürme kuvveti keşfinden önce, bir nesnenin şeklinin yüzüp yüzmeyeceğini belirlediğine inanılıyordu.
Kaldırma ve Hidrostatik Basınç
Kaldırma kuvveti, hidrostatik basınç - bir basınç statik sıvı. Bir sıvı içinde daha yükseğe yerleştirilen bir top, aşağıya yerleştirilen aynı topdan daha az basınç yaşayacaktır. Bunun nedeni, sıvının daha derinde olduğunda topa daha fazla sıvı ve dolayısıyla daha fazla ağırlık olmasıdır.
Böylece, bir nesnenin üstündeki basınç, alt kısımdaki basınçtan daha zayıftır. Basınç, Kuvvet = Basınç x Alan formülü kullanılarak kuvvete dönüştürülebilir. Bir ağ var güç yukarı dönük. Nesnenin şekline bakılmaksızın yukarı doğru işaret eden bu net kuvvet yüzdürme kuvvetidir.
Hidrostatik basınç P = rgh ile verilir, burada r yoğunluk sıvının g yer çekiminden kaynaklanan ivmeve h derinlik sıvının içinde. Hidrostatik basınç sıvının şekline bağlı değildir.
Arşimet İlkesi
Arşimet prensibi "Sıvı" terimi, bir sıvı içine kısmen ya da tamamen daldırılmış bir nesneye uygulanan kaldırma kuvvetinin, nesne tarafından yer değiştiren sıvının ağırlığına eşit olduğunu belirtir.
Bu, f = rgV formülü ile ifade edilir; burada r, sıvının yoğunluğu, g, yerçekimi nedeniyle ivmedir ve V, nesne tarafından yer değiştiren sıvı hacmidir. V sadece tamamen suya batmışsa nesnenin hacmine eşittir.
Kaldırma kuvveti, yer çekiminin aşağı kuvvetine karşı çıkan yukarı doğru bir kuvvettir. Kaldırma kuvvetinin büyüklüğü, bir nesnenin bir sıvıya daldırıldığında batıp batmayacağını, yüzüp yüzmeyeceğini veya yükselip yükselmeyeceğini belirler.
- Bir nesne, üzerine etki eden yerçekimi kuvveti kaldırma kuvvetinden büyükse batar.
- Bir nesne, üzerine etki eden çekim kuvveti kaldırma kuvvetine eşitse yüzer.
- Bir nesne, üzerine etki eden yerçekimi kuvveti kaldırma kuvvetinden daha azsa yükselecektir.
Formülden başka gözlemler de alınabilir.
- Eşit hacimlere sahip su altındaki nesneler, nesneler farklı malzemelerden yapılmış olsa bile aynı miktarda sıvıyı değiştirecek ve aynı büyüklükte kaldırma kuvveti yaşayacaktır. Bununla birlikte, bu nesnelerin ağırlığı değişecek ve yüzecek, yükselecek veya batacaktır.
- Sudan yaklaşık 800 kat daha düşük bir yoğunluğa sahip olan hava, sudan çok daha az kaldırma kuvveti yaşayacaktır.
Örnek 1: Kısmen Dalmış Bir Küp
2.0 cm hacimli bir küp3 yarıya kadar suya batırılır. Küpün yaşadığı kaldırma kuvveti nedir?
- F = rgV olduğunu biliyoruz.
- r = su yoğunluğu = 1000 kg / m3
- g = yerçekimi ivmesi = 9.8 m / s2
- V = küpün hacminin yarısı = 1.0 cm3 = 1.0*10-6 m3
- Böylece, F = 1000 kg / m3 * (9.8 m / s2) * 10-6 m3 = .0098 (kg * m) / sn2 = .0098 Newton.
Örnek 2: Tamamen Dalmış Bir Küp
2.0 cm hacimli bir küp3 tamamen suya daldırılır. Küpün yaşadığı kaldırma kuvveti nedir?
- F = rgV olduğunu biliyoruz.
- r = su yoğunluğu = 1000 kg / m3
- g = yerçekimi ivmesi = 9.8 m / s2
- V = küpün hacmi = 2,0 cm3 = 2.0*10-6 m3
- Böylece, F = 1000 kg / m3 * (9.8 m / s2) * 2.0 * 10-6 m3 = .0196 (kg * m) / sn2 = .0196 Newton.
Kaynaklar
- Biello, David. “Gerçek mi, Kurgu mu?: Arşimet Hamamda“ Eureka! ”Terimini Kazandı.” Bilimsel amerikalı, 2006, https://www.scientificamerican.com/article/fact-or-fiction-archimede/.
- “Yoğunluk, Sıcaklık ve Tuzluluk.” Hawaii Üniversitesi, https://manoa.hawaii.edu/exploringourfluidearth/physical/density-effects/density-temperature-and-salinity.
- Rorres, Chris. “Altın Taç: Giriş.” New York Eyalet Üniversitesi, https://www.math.nyu.edu/~crorres/Archimedes/Crown/CrownIntro.html.