FİZİK: BASINÇ
Basınç Nedir?
Basınç, bir yüzeye dik olarak etki eden kuvvetin, bu kuvvetin etki ettiği yüzey alanına oranıdır. Günlük hayatımızda sürekli karşılaştığımız basınç kavramı, fizik biliminin temel konularından biridir. Birim yüzeye etki eden dik kuvvet olarak tanımlanır ve P harfi ile gösterilir.
Basınç, hayatımızın her alanında karşımıza çıkan önemli bir fiziksel büyüklüktür. Atmosfer basıncından sıvı basıncına, gaz basıncından katıların uyguladığı basınca kadar birçok farklı formda gözlemlenebilir. Basınç kavramı, teknolojiden tıbba, meteorolojiden mühendisliğe kadar pek çok alanda karşımıza çıkar.
Basınç Formülü
P = F / A
Burada:
- P: Basınç (Pascal veya N/m²)
- F: Kuvvet (Newton)
- A: Yüzey alanı (m²)
Basınç Birimleri
Basınç birimi SI sisteminde Pascal (Pa) olarak ifade edilir. 1 Pascal, 1 metrekarelik bir alana 1 Newton'luk kuvvet uygulandığında oluşan basınçtır.
Diğer basınç birimleri:
- bar: 1 bar = 10⁵ Pa
- atmosfer (atm): 1 atm = 101325 Pa
- mmHg (milimetre cıva): 1 mmHg = 133.322 Pa
- PSI (pound per square inch): 1 PSI = 6894.76 Pa
Basınç Türleri
1. Katıların Basıncı
Katıların basıncı, ağırlık (yerçekimi kuvveti) ve temas yüzeyinin alanı ile ilişkilidir. Katıların basıncı, ağırlık arttıkça artar, temas yüzeyi arttıkça azalır.
Katıların basıncını etkileyen faktörler:
- Ağırlık: Ağırlık arttıkça basınç artar.
- Temas yüzeyi: Temas yüzeyi arttıkça basınç azalır.
Bıçakların keskin olması, topuklu ayakkabıların karda batması, çivinin sivri uçlu olması gibi günlük hayat örnekleri, yüzey alanının azalmasıyla basıncın artmasına örnektir.
2. Sıvıların Basıncı
Sıvılar, içinde bulundukları kabın her noktasına ve daldırılan cisimlere basınç uygular. Sıvı basıncı, sıvının derinliği, yoğunluğu ve yerçekimi ivmesi ile doğru orantılıdır.
Psıvı = ρ × g × h
Burada:
- Psıvı: Sıvı basıncı (Pascal)
- ρ (ro): Sıvının yoğunluğu (kg/m³)
- g: Yerçekimi ivmesi (9.8 m/s²)
- h: Sıvının derinliği (m)
Sıvı basıncının özellikleri:
- Sıvı basıncı her yöne eşit olarak etki eder (Pascal Prensibi).
- Sıvı basıncı, sıvının derinliğine bağlıdır, kabın şekline bağlı değildir.
- Aynı seviyedeki noktalarda sıvı basıncı eşittir.
- Farklı sıvılarda, aynı derinlikte yoğunluğu büyük olan sıvının basıncı daha büyüktür.
3. Gazların Basıncı
Gazlar, içinde bulundukları kabın her noktasına basınç uygular. Gaz basıncı, gaz moleküllerinin kabın çeperlerine çarpması sonucu oluşur. Gaz basıncı, gaz miktarı, sıcaklık ve hacim ile ilişkilidir.
İdeal gaz denklemi:
P × V = n × R × T
Burada:
- P: Basınç (Pascal)
- V: Hacim (m³)
- n: Mol sayısı
- R: İdeal gaz sabiti (8.314 J/mol·K)
- T: Mutlak sıcaklık (Kelvin)
4. Atmosfer Basıncı
Atmosfer basıncı, Dünya'nın etrafındaki hava tabakasının oluşturduğu basınçtır. Deniz seviyesinde ortalama atmosfer basıncı 1 atm (101325 Pa) olarak kabul edilir. Yükseklik arttıkça atmosfer basıncı azalır.
Torricelli deneyi ile atmosfer basıncı ölçülmüştür. Bu deneyde, içi cıva dolu 760 mm uzunluğundaki bir tüp ters çevrilerek cıva dolu bir kaba daldırılır. Tüpteki cıva seviyesi 760 mm'de durur. Bu yükseklik, atmosfer basıncının dengesi olarak kabul edilir.
Basıncın Uygulamaları
- Pascal Prensibi: Kapalı bir sıvıya uygulanan basınç, sıvının her noktasına aynen iletilir. Hidrolik sistemlerin (fren sistemleri, hidrolik presler) çalışma prensibidir.
- Archimedes Prensibi: Bir sıvıya bırakılan cisim, yer değiştirdiği sıvının ağırlığı kadar kaldırma kuvvetine maruz kalır.
- Bernoulli İlkesi: Akışkan hızı arttıkça basınç azalır, hız azaldıkça basınç artar. Uçak kanatlarının kaldırma kuvveti bu ilkeye dayanır.
Basınç konusunda karıştırılan önemli noktalar:
- Basınç bir vektör değil, skaler bir büyüklüktür.
- Katıların basıncı sadece ağırlığın etki ettiği yüzeyde oluşur.
- Sıvı basıncı kabın şekline bağlı değil, derinliğe bağlıdır.
- U borusu içindeki farklı sıvılar için, yükseklik × yoğunluk çarpımları eşittir (h₁ × ρ₁ = h₂ × ρ₂).
Örnek Sorular ve Çözümleri
Örnek 1: Katıların Basıncı
Kütlesi 60 kg olan bir öğrenci, ayakkabısının taban alanı 200 cm² olduğuna göre, öğrencinin yere uyguladığı basınç kaç Pascal'dır? (g = 10 m/s²)
Çözüm:
Basınç = Kuvvet / Alan formülünü kullanacağız.
Kuvvet = Ağırlık = m × g = 60 kg × 10 m/s² = 600 N
Alan = 200 cm² = 200 × 10⁻⁴ m² = 0.02 m²
Basınç = 600 N / 0.02 m² = 30000 Pa = 30 kPa
Cevap: 30 kPa
Örnek 2: Sıvı Basıncı
Yoğunluğu 1000 kg/m³ olan bir sıvının 5 metre derinliğindeki bir noktada oluşturduğu basınç kaç Pascal'dır? (g = 10 m/s²)
Çözüm:
Sıvı basıncı formülünü kullanacağız: P = ρ × g × h
P = 1000 kg/m³ × 10 m/s² × 5 m
P = 50000 Pa = 50 kPa
Cevap: 50 kPa
Örnek 3: Pascal Prensibi
Bir hidrolik sistemde, küçük pistonun alanı 5 cm², büyük pistonun alanı 50 cm² olduğuna göre, küçük pistona 100 N'luk kuvvet uygulandığında büyük pistona etki eden kuvvet kaç Newton olur?
Çözüm:
Pascal prensibine göre, kapalı bir sistemde basınç her noktada eşittir.
P₁ = P₂
F₁/A₁ = F₂/A₂
F₂ = F₁ × (A₂/A₁)
F₂ = 100 N × (50 cm²/5 cm²)
F₂ = 100 N × 10 = 1000 N
Cevap: 1000 N
Örnek 4: U Borusu ve Farklı Sıvılar
Bir U borusunun bir koluna yoğunluğu 800 kg/m³ olan sıvıdan 10 cm, diğer koluna yoğunluğu 1000 kg/m³ olan sıvıdan konuluyor. İki sıvı birbirine karışmadığına göre, yoğunluğu büyük olan sıvının yüksekliği kaç cm olur?
Çözüm:
U borusunda denge durumunda, aynı hizadaki basınçlar eşittir.
h₁ × ρ₁ = h₂ × ρ₂
10 cm × 800 kg/m³ = h₂ × 1000 kg/m³
h₂ = (10 cm × 800 kg/m³) / 1000 kg/m³
h₂ = 8 cm
Cevap: 8 cm
Sınavlarda Dikkat Edilmesi Gerekenler
- Birim Dönüşümleri: Basınç problemlerinde birim dönüşümlerine dikkat edin. Özellikle cm², m² dönüşümlerini doğru yapın.
- Basınç Formülü: Basınç formülünün P = F/A olduğunu unutmayın. Kuvvet arttıkça basınç artar, alan arttıkça basınç azalır.
- Sıvı Basıncı: Sıvı basıncının derinlikle doğru orantılı olduğunu, kabın şekline bağlı olmadığını hatırlayın.
- Pascal Prensibi: Hidrolik sistemlerde, küçük pistona uygulanan kuvvetin büyük pistonda nasıl çarpan etkisi yaptığını anlayın.
- Archimedes Prensibi: Kaldırma kuvvetinin, cismin yer değiştirdiği sıvının ağırlığına eşit olduğunu unutmayın.
- Atmosfer Basıncı: Yükseklik arttıkça atmosfer basıncının azaldığını hatırlayın.
- Gaz Basıncı: İdeal gaz denklemindeki değişkenlerin birbirleriyle ilişkisini iyi anlayın.
Sınavlarda en çok yapılan hatalar:
- Birim dönüşümlerini yanlış yapmak
- Sıvı basıncı hesaplarında açık hava basıncını unutmak
- Bağlı kaplar problemlerinde denge durumunu yanlış yorumlamak
- Basınç ve kuvveti karıştırmak
- Pascal prensibinde oranları ters almak
Basınç konusu, fizik dersinin temel konularından biridir ve günlük hayatla doğrudan ilişkilidir. Bu konuyu iyi anlamak, hidrostatik, akışkanlar mekaniği ve termodinamik gibi diğer fizik konularını anlamada büyük fayda sağlayacaktır.
