Basınç, bir yüzeye uygulanan kuvvetin, yüzey alanına bölünmesiyle elde edilen büyüklüktür. Basınç formülü P = F / A şeklindedir. Basınç, birim alan başına düşen kuvvet olarak da tanımlanabilir. Matematiksel olarak ifade edildiğinde, basınç = kuvvet / alan şeklinde yazılabilir.
Yeryüzünde bulunan bütün maddeler ağırlıklarından dolayı bulundukları zemin üzerine kuvvet uygular. Uygulanan bu kuvvetler temas ettikleri birim yüzeyler de göz önünde bulundurulduğunda cisimler üzerinde bir basınç oluşturur.
Buna göre basınç, kuvvetin bir etkisidir. Diğer bir deyişle birim yüzeye uygulanan dik kuvvete basınç adı verilir.
Basınç Formülü
Basınç, bir yüzeye uygulanan kuvvetin, yüzey alanına bölünmesiyle hesaplanır. Basınç formülü şu şekildedir:
P = F / A
Burada, P = Basınç (Pa veya N/m^2 gibi birimlerle ifade edilir) F = Uygulanan kuvvet (N) A = Yüzey alanı (m^2)
Örneğin, bir cismin üzerine 100 N’lik bir kuvvet uygulandığında, 2 m^2’lik bir yüzey alanı üzerinde bir basınç oluşacaktır. Basınç değeri ise şu şekilde hesaplanır:
P = F / A = 100 N / 2 m^2 = 50 N/m^2 (veya 50 Pa)
Katı Basıncı
Katı cisimler yerçekiminden dolayı bir ağırlığa sahip olurlar ve bu ağırlık yer yüzüne doğru bir kuvvet uygular. Bu kuvvetin etkisiyle de bulunduklan yüzeyde basınç oluşur.
Cisimler üzerine uygulanan kuvvetler de basınç oluşturur. Katıların, bulundukları yüzeye etki ettikleri kuvvet aslında onların ağırlıklarıdır. Dolayısıyla ağırlık da bir kuvvettir.
Katı basıncını etkileyen faktörler nelerdir?
Katı basıncını etkileyen faktörler cisimlerin sahip oldukları ağırlık ve temas ettikleri yüzeyin alanıdır. Katı basıncını etkileyen faktörler değiştikçe o yüzeye etki eden basınç değeri de farklılık gösterir.
Katı basıncı ağırlıkla doğru orantılıdır. Temas yüzey alanları aynı olan iki cisimden ağırlığı büyük olanın uyguladığı basınç daha büyük olur.
Katı basıncı temas yüzeyi ile ters orantılıdır. Ağırlıkları aynı olan iki cisimden temas yüzeyi küçük olanın basıncı daha büyük, temas yüzeyi büyük olanın uyguladığı basınç daha küçük olacaktır.
Ağırlık, “basınç kuvveti” olarak da ifade edilebilir. “Basınç kuvveti” basınca sebep olan kuvvettir. Dolayısıyla basınç ile karıştırılmamalıdır. “Basınç kuvveti” denildiğinde ağırlığın ifade edildiği ve biriminin Newton olduğu unutulmamalıdır.
- Ayak tabanlarının yüzey alanları eşit bir bebek ve bir kedinin karda yürürken bıraktıkları izin derinlikleri farklı olur. Bebeğin bırakacağı iz kedinin bırakacağı izden daha derindir. Bunun sebebi bebeğin ağırlığının daha büyük olmasıdır.
- Belirli bir ağırlığa sahip cismin temas yüzeyi küçüldükçe basınç artar. Cisimlerin uyguladıkları basınç, cismin yüzeyi ile ters orantılıdır.
Katı basıncının günlük hayattaki kullanımı
Katı basıncının günlük hayatta kullanımına dair bir çok örnek karşımıza çıkmaktadır.
- Ağırlığı çok fazla olmasına rağmen kepçe tarzında araçlar toprağa batmadan rahatça iş yapabilirler. Bunun sebebi tekerlek yerine daha büyük yüzey alanına sahip paletlerinin olmasıdır. Yüzey alanı büyük olduğu için yere uyguladığı basınç azalmış bu sayede batmaktan kurtulmuştur.
- Bir elmayı elimize aldığımız kalın bir demir parçası ile kesmeyi deneyin ne kadar büyük kuvvet uyguladığınızı fark edersiniz. Ancak aynı elmayı bıçakla kesmeyi denediğinizde küçük bir kuvvetle işinizi yaptığınızı görürsünüz. Bunun sebebi bıçağın keskin yüzeyinin yüzey alanının küçük olmasıdır. Bu sayede basınç artmış ve elma kolayca kesilmiştir
- Kayak yapmaya gittiğinizi düşünün. Ayağınıza topuklu ayakkabı olursa sürekli kara batarsınız. Ayağınızda spor ayakkabı olursa kara daha az batarsınız ancak ayağınızda palet olursa kara neredeyse hiç batmadan sporunuzu yapabilirsiniz. Bunun sebebi yüzey alanını artırarak basıncın azalmış olmasıdır.
- Çivi ve iğneleri düşünün. Bir uçları sivri olmasına rağmen diğer uçları geniş olarak tasarlanmıştır. Herhangi bir yere iğne ile bir şey tutturmak istediğinizde iğnenin sivri ucu cisme batarken geniş ucu elinize batmaz. Bunun sebebi sivri ucun yüzey alanının küçültülerek basıncın artırılmış olması, geniş ucun yüzey alanının artırılarak basıncın azaltılmış olmasıdır.
Sıvı Basıncı
Sıvılar da katılar gibi ağırlıklarından dolayı cisimlere basınç uygularlar. Sıvıların belli bir şekli yoktur. İçinde bulundukları kabın şeklini alırlar.
Sıvı basıncını neler etkiler?
Öncelikle sıvılarda da basınca sebep olan faktörlerin başında yerçekimi kuvvetinin olduğunu unutmayalım.
Bunun haricinde basıncı sorulan noktanın sıvının en üst yüzeyine olan yüksekliği yani “derinliği” ve söz konusu sıvının yoğunluğu sıvı basıncını etkileyen faktörlerdir.
Bunun nedeni L noktasındaki sıvı basıncının K noktasındakinden büyük olmasıdır.
- Yukarıda verilen d yoğunluklu aynı cins sıvılarla dolu kapların tabanlarında oluşan sıvı basınçları aynıdır. Çünkü kapların şekli ve kaplardaki sıvı miktarları basınç üzerinde etkili değildir. Sıvı basıncı derinliğe ve yoğunluğa bağlıdır.
- Sıvı basıncı derinliğin yoğunlukla çarpımı şeklindeki bir formülle de gösterilebilir. Formülden de anlaşılacağı üzere derinlik arttıkça sıvı basıncı artar, derinlik azaldıkça sıvı basıncı azalır. Aynı şekilde yoğunluk arttıkça sıvı basıncı artar, yoğunluk azaldıkça sıvı basıncı da azalır.
Sıvı derinliği ve yoğunluk arttıkça basınç artar, sıvı derinliği ve yoğunluk azaldıkça basınç azalır.
Pascal Prensibi
Sıvılar üzerlerine uygulanan basıncı her yöne ve aynı büyüklükte iletirler. Bu duruma Pascal Prensibi denir.
Aşağıda Pascal Prensibini açıklayan deneye bakıldığında içi su dolu balon üzerine bir kuvvet uygulandığını ve bu kuvvetin bir basınca sebep olduğunu görürüz.
Balondaki özdeş deliklerin hepsinden aynı anda ve aynı hızda su fışkırır. Çünkü balonun içindeki su bu basıncı her yöne ve aynı büyüklükte iletmiştir.
Günlük hayatta Pascal Prensibiyle çalışan araçlara çok sayıda örnek vermek mümkündür. Aşağıdaki görseller incelendiğinde Pascal Prensibinden faydalanılarak daha küçük kuvvetler uygulayıp çok daha ağır cisimlerin hareket ettirilmesinin mümkün olduğu gözlenmektedir.
Gaz Basıncı
1664 yılında, hava basıncının etkisini göstermek amacıyla Otto Von Guerrike (Otto Fon Gürrik) tarafından, Magdeburg Yarım Küreleri olarak anılan bir deney yapılır.
Metal olan iki büyük yarım küre birleştirilip içindeki hava boşaltılır. Daha sonra, oluşan vakum küreye çok sayıda at koşularak yarım küreler birbirinden ayrılmaya çalışılır ama küreler birbirinden ayrılmaz, işte bunu sağlayan etki, kürenin dışındaki hava basıncıdır.
Yandaki etkinlikte yanan mum, cam kâse içindeki oksijeni azaltmıştır.
Cam kavanoz içindeki dış basıncı dengeleyen gaz miktarı azaldığı için toplam gazın hacmini azaltarak tekrar dış basınç seviyesine çıkması gerekir. Bu sebeple su kavanozun içine girer iç basınç dış basınç ile eşit hale gelir.
Kapalı bir kaptaki gazın basıncı, kabın içerisindeki her noktada aynıdır.
Bunu şişirilen bir topun her tarafının aynı anda hareketlenmesinden veya şişirilmiş bir bisiklet tekerleğinin düzgün görünmesinden anlayabiliriz.
Tekerleği şişirmek için bir bisiklet pompasının pistonu itildiğinde pompa silindiri içerisinde oluşan yüksek basınçlı hava, hortum yoluyla bisiklet tekerleğine aynen iletilir.
Tekerleğin pompalama sonucunda bir süre sonra şişmesi tekerlek içerisindeki basıncın açık hava basıncından büyük olmasındandır.
Toriçelli Deneyi
Torricelli (Toriçelli) adlı bilim insanı açık hava basıncını araştırırken deniz seviyesinde, 0 °C’ta, yaklaşık 1 m uzunluğunda ve bir ucu kapalı olan cam boruyu tamamen civa ile doldurur.
Borunun açık ağzını parmağı ile kapatarak civa çanağına ters daldırır ve parmağını çeker. Borudaki civanın bir kısmının çanağa boşaldığını ve bir süre sonra civa seviyesinin 76 cm’de dengede kaldığını gözler.
Torricelli’ nin açık hava basıncını ölçmek için yaptığı bu düzenek basit ama hassas bir barometredir.
