Fizikte Çoğu Kişinin Kafasını Karıştıran Bir Konu: Kaldırma Kuvveti!

Sayısal derslerin içerisinde öğrencilerin en çok çekindiklerinin başında gelen bir derstir fizik. Çoğu öğrenci için eşit ağırlık ya da sözel seçme sebebidir. Lise fiziği, kolay olsa da ortaokulda temeli iyi olmayan bir öğrenci için zorlayıcı olabiliyor. Elbette dersi sevmenin payı büyüktür ama yine de bütün bilimlerde olduğu gibi temel yoksa üst katlara çıkılması da zor olacaktır.

Öğrencilerin derse ilgisizliğinin ve temelinin zayıf olması kadar verilen eğitimdeki hatalar da gerek ortaokul gerekse lise dersleri için öğrenci açısından yıkıcı etkilere sebep olabiliyor. Öyle ki sadece ezbere ve sonuca dayalı bir eğitim, öğrencinin neyin neden öyle olduğunu düşünmesinin yerine bir an önce sonuca ulaşarak fikri gelişimini ihmal etmesine sebep oluyor. Bilinmelidir ki bir sorunun cevabı doğru olsa bile çözüm yolunda neyin ne için yapıldığı bilinmiyorsa ve bu özümsenmemişse hatalı bir öğrenim içerisindedir kişi.

Lafı çok uzattığımın farkında olarak izninizle yazıma geçiyorum.

Fizik Nedir ve Neleri İçerir?

Fiziğin bir konusunun üzerine düşünmeden önce fiziğin ne olduğuna dair berrak bir fikriyata ihtiyaç vardır. Ezbere kaçmadan fiziğin ne olduğunu açıklamak, bu derste başarılı olmak isteyen bir öğrenci için gereklidir. Şöyle bir analoji yapmak gerekirse hiç kimse içinde ne olduğunu bilmediği bir yemeği pişiremez. Hangi iş için olursa olsun önce kapsamını bilmek gerekir.

Fizik; var olan ve olabilecek her şeyin madde ve enerji çerçevesinde gerçekleştiğini, bunların da akıl ve deney yoluyla açıklanabileceğini ifade eden bir bilim dalıdır. Fizik de dahil bütün bilimleri ayıran şey de budur zira akıl ve deneye dayalı olmak, doğayı doğal sebeplerle açıklamak fiziği bir bilim haline getirmiştir. Geçmişte, bütün bilimler gibi fizik de felsefenin bir koluydu.

Fiziğin Dalları Nelerdir?

Bilimler, hem çalışma kolaylığı sağlamak açısından hem de içerik ve tarihsel durumlara göre belli dallara ayrılır. Her ne kadar bu dalların arasında yakinen ilişki olsa ve yeni dallar çıksa da genellikle vazgeçilemeyen bir şeydir bilimleri kendi içerisinde dallara ayırmak. Fizik bilimi, pek çok farklı sebepten ötürü birçok dala sahiptir ve bu dallar gerek fiziği diğer dallarıyla gerekse diğer bilim dallarıyla etkileşim içerisindedir.

Fizik bilimi; mekanik, optik, nükleer fizik, katıhal fiziği, manyetizma, elektrik, termodinamik ve atom fiziği olmak üzere dallara ayrılır. Elbette farklı kaynaklarda değişik ifadeleri olabilir bunların ama genel ifadesiyle fiziğin dalları bunlardır. Bizim işleyeceğimiz konu yani kaldırma kuvveti ise fiziğin mekanik dalına aittir.

Kaldırma Kuvveti Nedir ve Matematiksel Olarak Nasıl İfade Edilir?

Kaldırma kuvveti, mekaniğin bir konusu olarak gazların ya da sıvıların içerisine giren cisimlere uygulanan ve temeli basınç farkına dayalı olan bir kuvvettir. Kaldırma kuvvetinin uygulamaları, bugün doğada hemen her yerde karşımıza çıkmaktadır.

En kolay örnek olarak suya daldırılan ve farklı hacimlere sahip olup aynı kütleye sahip cisimlerin aralarındaki dengeyi ifade edebiliriz kaldırma kuvveti açısından. Kaldırma kuvveti, cismin kütlesine bağlı değildir; hacmine veya daha doğru bir ifadeyle cismin ne kadarlık hacminin akışkanın içerisine girdiğine bağlıdır.

Yukarıda verilen formülün de gösterdiği gibi akışkan içerisinde olan her cisme bir kaldırma kuvveti etki eder. O halde şu soruyu sormak gerekir: Her cisme kaldırma kuvveti etki ediyorsa cisimler nasıl batıyor?

Bunun cevabı da elbette kaldırma kuvvetinin diğer bir kuvvet olan ağırlıkla arasındaki ilişkide gizlidir. Kaldırma kuvveti, cismin ağırlık merkezine etki etmektedir ve aynı merkezde aşağı yönlü bir yer çekimi etkisi vardır. Cismin akışkan içerisindeki konumu, bu iki kuvvetin arasındaki ilişkiyle belirlenmektedir.

Yukarıdaki şekillerde de görüldüğü üzere bir cisim, akışkanın içerisinde üç farklı hale sahip olabilir. Batabilir, yüzebilir ya da askıda kalabilir. İşte bu ilişkiye karar veren özkütledir.

Buna göre özkütlesi, içerisine girdiği akışkanınkinden büyük olan bir cisim batacaktır; eşit ise askıda kalacaktır; küçükse yüzecektir.

Sıvı içerisinde herhangi bir konumda bulunan bir cisme, hem yan hem de dik yüzeylerden basınç kuvveti etki eder. Yan yüzeylerdeki basınç kuvvetleri, zıt yönlü ve eşit büyüklükte birer kuvvet olarak birbirleriyle vektörel toplamı sıfırdır.

Cismin altına ve üstüne etki eden kuvvetler ise birbirine eşit değildir. Bir cisme etkiyen basınç kuvveti, o alana denk düşen basıncın alan ile çarpımıdır. Yukarıdaki örnekte, cismin alt yüzeyine ''F₂'' olarak verilirken üst yüzeyine etki eden de ''F₁'' olarak verilmiştir. Bu iki kuvvetin arasındaki fark da kaldırma kuvvetine eşit olmaktadır. Buradan anlaşılacağı üzere kaldırma kuvveti, basınç farkının bir ifadesidir. Cisim, bu farkın etkisiyle batan hacmi kadar sıvıyı yer değiştirir. Bu yeri değişen sıvının ağırlığı ise kaldırma kuvvetine eşittir.

Kaldırma Kuvvetinin Doğadaki ve Teknolojideki Örnekleri

Kaldırma kuvveti, fiziğin bütün uygulamalarında olduğu gibi doğada ve teknolojide önemli bir yere sahiptir. Kaldırma kuvvetinin varlığı hesap edilmeden doğadaki ve teknolojideki pek çok şeyi açıklamak mümkün olmayacaktır. Kaldırma kuvvetinin en bilindik hikayesi bir bilim insanı ve filozof olan Arşimet'indir.

Arşimet'in hamamdaki suda yüzen tastan yola çıkarak kaldırma kuvvetini bulduğu hikayesini hepimiz bilmekteyiz. Elbette olayın bu şekil gerçekleşip gerçekleşmediği bilinemez ama en bilinen kaldırma kuvveti uygulaması, suyun içerisine atılan bir cisme etkiyendir.

Suyun kaldırma kuvveti, bugünkü pek çok teknolojinin de varoluş sebebidir. Denizaltılar, kaldırma kuvvetinden faydalanarak suyun içerisinde hareket etmek için safra tankı denilen su ya da yüksek basınçlı hava dolu haznelere sahiptir. Denizaltı, suyun yüzeyinde kalmak istiyorsa safta tankına hava doldurur. Yoğunluğu düşüren bu durumun sonrasında suyun yüzeyinde kalınır. Suya dalmak istendiğinde ise safra tankının alt kapağı açılarak içeriye su alınır ve üst kapaktan da hava boşaltılır. Böylece suyun altına iniş mümkün olur.

Peki kaldırma kuvveti sadece sıvılar için mi geçerlidir? Elbette hayır çünkü havanın da bir kaldırma kuvveti vardır. Havanın özkütlesi, suyunkine oranla daha düşük olduğundan bu pek hissedilmez ama şu anda içinde bulunduğumuz ortamda bile hava bize bir kaldırma kuvveti uygulamaktadır. Biz bunu hissedemeyiz fakat özkütlesi havanınkinden az bir cismin üzerinde bu etki gözlemlenebilir. Bunun en bilinen örneği ise balonlardır.

Aynı denizaltında olduğu gibi hava içerisinde hareket etmek de kaldırma kuvvetiyle ilişkilidir. Bir balonun havada yükselebilmesi için özkütlesinin, havanın özkütlesinden daha küçük olması gerekmektedir. Aksi durumda ya askıda kalacaktır ya da alçalacaktır.

Fırtınalarda çatıların uçması da yine kaldırma kuvvetiyle alakalıdır. Basınç farkından doğan bir kuvvet olan kaldırma kuvveti, çatının alt ve üst yüzeyleri arasındaki basınç farkından dolayı dengenin bozulmasına sebep olabilecektir.

Çatının üst yüzeyinde havanın hızı daha yüksektir ve hız arttıkça basınç düşecektir. İçerideki hava ise düşük hıza ve yüksek basınca sahiptir. Buna Bernoulli ilkesi denir. Uçakların uçmasını sağlayan etki de budur.

Fiziğin kafa karıştıran bir konusu olan kaldırma kuvvetini incelediğim yazımın sonuna gelmiş bulunmaktayım. Yazımı okuyana da okumayana da teşekkürlerimi sunar ve tüm KS ahalisine hayırlı bir pazar günü dilerim. Bir sonraki yazıda görüşmek üzere hoşça kalın.