Cisimlerin Su Üzerindeki Davranışları
Suda yüzen veya batan cisimleri incelediğinizde, göz alıcı ve ilginç pek çok örnekle karşılaşabilirsiniz. Geçtiğimiz günlerde Physics Is Fun (Fizik Eğlencelidir) adlı Facebook grubunda bir kullanıcı “Çiviler suya batıyor ama demir ve çelik gemiler yüzüyor, bu neden böyle?” diye sordu. Bu merak uyandıran soru, fiziksel prensiplerin anlaşılmasını gerektiriyor.
Kaldırma Kuvvetinin Önemi
Bu sorunun yanıtını verebilmek için öncelikle kaldırma kuvveti hakkında bilgi sahibi olmamız gerekiyor. Kaldırma kuvveti, bir akışkanın (sıvıların yanı sıra hava gibi herhangi bir akan madde) içindeki cisimlere yukarı doğru uyguladığı kuvvettir. Bu kuvvet, akışkanın derinliklerinde artan basınçtan kaynaklanır. Akışkan içindeki bir nesnenin derinliklerindeki basınç, üst kısımlardaki basınçtan daha yüksektir ve bu da yukarıya doğru bir kuvvet oluşturur.
Arşimed ilkesi, bir akışkana kısmen veya tamamen daldırılmış bir cismin, yerini değiştirdiği sıvının ağırlığına eşit büyüklükte bir kaldırma kuvveti tarafından etkilendiğini belirtir. Bir akışkanın kaldırma kuvveti, içine yerleştirilen bir nesnenin aşağı doğru uyguladığı kuvvetten (kütlesi çarpı yerçekimi alanı kuvveti) daha büyükse, nesne yüzer. Ancak, suyun yüzeyinde kalan ve sudan daha yoğun olan nesneler, kuvvetler eşitlenene kadar batar. Örneğin, bir çivi, suyun yoğunluğundan daha ağır olduğu için batar. Suyun yüzey gerilimi tarafından yüzebilme yeteneğine sahip daha küçük nesneler için bazı istisnalar bulunsa da, genel olarak çoğu cisim bu fiziksel kurallara tabidir.
Çiviler Neden Batar, Gemiler Neden Yüzüyor?
Çelik suya göre daha ağır olmasına rağmen, yüzbinlerce ton yük taşıyabilen kargo gemileri, dış bir etki olmadıkça, batmadan suyun yüzeyinde kalmayı başarır. Elbette, tamamen çelikten yapılmış bir nesne suya batacaktır. Ancak gemiler, tamamen çelikle dolu cisimler değildir. Gemilerin yüzmesini sağlayan en önemli faktör, içlerinin hava ve diğer hafif malzemelerle dolu olmasıdır. Bu farklı malzemeler sayesinde bir geminin ortalama yoğunluğu, suyun yoğunluğundan daha düşük hale gelir. Bu durum, yukarıya doğru uygulanan kuvvetin, gemiyi okyanusun dibine çeken yerçekimi kuvvetinden daha büyük olmasını sağlar ve böylece gemi yüzebilir.
Örneğin, 100.000 ton ağırlığında bir gemiyi suya koyduğunuzda, gemi, suyun yerini değiştirdiği sürece batacaktır. Gemiyi sudan daha yoğun malzemelerle doldurduğunuzda, yeni ağırlığa eşit olacak kadar suyun yerini değiştirmeye devam eder ve bu süreç, geminin su yüzeyinde kalmasını sağlar.
