Sıvıların kaldırma kuvveti, sıvı içinde bulunan bir cisme sıvı tarafından uygulanan yukarı yönlü kuvvettir. Günlük hayatta gemilerin denizde yüzmesi, bir topun suyun altında tutulduğunda yukarı doğru çıkmaya çalışması veya bazı cisimlerin suya bırakıldığında batması bu konuyla açıklanabilir.
Kaldırma kuvveti konusu TYT fizikte hem kavramsal hem de işlem gerektiren sorularla karşınıza çıkabilir. Konuyu öğrenirken yalnızca formülü ezberlemek yerine cismin sıvı içindeki durumunu, üzerine etki eden kuvvetleri ve yoğunluk ilişkisini birlikte değerlendirmek gerekir. Bu konunun TYT içerisindeki yerini görmek isteyen öğrenciler TYT fizik konuları listesini de inceleyebilir.
İçindekiler
Kaldırma Kuvveti Nedir ve Nasıl Oluşur?
Bir cisim sıvının içine bırakıldığında sıvı, cismin her yüzeyine basınç uygular. Sıvı basıncı derinlik arttıkça büyüdüğü için cismin alt yüzeyine uygulanan basınç, üst yüzeyine uygulanan basınçtan daha fazladır.
Bu basınç farkı sonucunda cisme yukarı yönlü net bir kuvvet etki eder. Bu kuvvete kaldırma kuvveti denir.
Örneğin suyun içine bir top bastırdığınızı düşünün. Elinizi çektiğinizde top yukarı doğru hareket eder. Bunun nedeni suyun topa yukarı yönlü bir kaldırma kuvveti uygulamasıdır.
Kaldırma kuvvetinin oluşması için cismin tamamen sıvının içinde olması gerekmez. Cismin yalnızca bir bölümü sıvıya batmış olsa bile sıvı, batan bölüm üzerinden cisme kaldırma kuvveti uygular.
Burada önemli olan nokta şudur: Kaldırma kuvveti doğrudan cismin “hafif” veya “ağır” olması nedeniyle oluşmaz. Kuvvetin temelinde sıvı basıncındaki fark bulunur.
Sıvı İçindeki Cisme Etki Eden Kuvvetler Nelerdir?
Sıvı içerisindeki bir cisme genellikle iki temel kuvvet etki eder:
- Cismin ağırlığı
- Sıvının uyguladığı kaldırma kuvveti
Cismin ağırlığı aşağı yönlü, kaldırma kuvveti ise yukarı yönlüdür.
Bir cismin sıvı içerisindeki hareketini anlamak için bu iki kuvvet karşılaştırılır.
Eğer kaldırma kuvveti cismin ağırlığından büyükse:
Fk > G
cisim yukarı doğru hareket etme eğilimindedir.
Kaldırma kuvveti cismin ağırlığına eşitse:
Fk = G
net kuvvet sıfır olur. Cisim dengede bulunabilir.
Kaldırma kuvveti cismin ağırlığından küçükse:
Fk < G
cisim aşağı doğru hareket eder.
Sorularda cisme ip gerilmesi, taban tepki kuvveti veya başka bir dış kuvvet de etki edebilir. Bu durumda yalnızca ağırlık ve kaldırma kuvvetini değil, soruda verilen diğer kuvvetleri de kuvvet diyagramına eklemek gerekir.
Özellikle TYT sorularında önce cismin basit bir çizimini yapmak, kuvvetlerin yönünü oklarla göstermek ve ardından işlem yapmak hata ihtimalini azaltır.
Kaldırma Kuvvetinin Büyüklüğü Nelere Bağlıdır?
Bir cisme etki eden kaldırma kuvvetinin büyüklüğü üç temel değişkene bağlıdır:
- Sıvının özkütlesine
- Cismin sıvı içinde kalan hacmine
- Yer çekimi ivmesine
Bu ilişki şu şekilde ifade edilir:
Fk = Vbatan × dsıvı × g
Burada:
- Fk: Kaldırma kuvveti
- Vbatan: Cismin sıvı içinde kalan hacmi
- dsıvı: Sıvının özkütlesi
- g: Yer çekimi ivmesi
Sıvının özkütlesi arttığında, diğer koşullar aynıysa kaldırma kuvveti de artar. Örneğin aynı cisim, yoğunluğu daha büyük olan bir sıvıda daha büyük kaldırma kuvvetiyle karşılaşabilir.
Cismin sıvıya batan hacmi arttığında da kaldırma kuvveti artar. Bu nedenle bir cisim sıvıya doğru bastırıldığında, batan hacmi büyüdükçe sıvının uyguladığı kaldırma etkisi değişebilir.
Burada dikkat edilmesi gereken nokta, kaldırma kuvvetinin doğrudan cismin toplam hacmine değil, sıvı içerisinde kalan hacmine bağlı olmasıdır.
Kaldırma Kuvveti Nasıl Hesaplanır?
Kaldırma kuvvetini hesaplamak için Arşimet ilkesi kullanılır.
Arşimet ilkesine göre bir sıvıya batırılan cisme etki eden kaldırma kuvveti, cismin yer değiştirdiği sıvının ağırlığına eşittir.
Formül:
Fk = Vbatan × dsıvı × g
şeklindedir.
Örneğin sıvı içinde 0,002 m³ hacmi bulunan bir cisim düşünelim. Sıvının özkütlesi 1000 kg/m³ ve yer çekimi ivmesi 10 m/s² olsun.
Bu durumda:
Fk = 0,002 × 1000 × 10
Fk = 20 N
olur.
Yani sıvı cisme yukarı yönlü 20 N kaldırma kuvveti uygular.
Sorularda hacim birimlerine özellikle dikkat edilmelidir. Hacim cm³ olarak verilmiş ancak diğer büyüklükler SI birim sistemindeyse gerekli dönüşüm yapılmalıdır.
Ayrıca cisim tamamen sıvının içindeyse batan hacim cismin toplam hacmine eşittir. Ancak cisim yüzüyorsa yalnızca sıvının altında kalan bölüm hesaba katılır.
Bu ayrım, kaldırma kuvveti sorularında yapılan en yaygın hatalardan biridir.
Batan, Yüzen ve Askıda Kalan Cisimler Nasıl Ayırt Edilir?
Bir cismin sıvıdaki durumunu belirlemenin en kolay yollarından biri cismin özkütlesi ile sıvının özkütlesini karşılaştırmaktır.
Eğer:
dcisim < dsıvı
ise cisim sıvıda yüzer.
Örneğin yoğunluğu sudan küçük olan bir tahta parçası suyun yüzeyinde kalabilir.
Eğer:
dcisim = dsıvı
ise cisim sıvı içerisinde askıda kalabilir. Bu durumda cisim ne dibe batar ne de yüzeye çıkar.
Eğer:
dcisim > dsıvı
ise cisim batar.
Örneğin yoğunluğu sudan büyük olan bazı metal parçaları suya bırakıldığında dibe doğru hareket eder.
Ancak yüzen cisimlerle ilgili önemli bir ayrıntı vardır. Yüzen bir cismin tamamının sıvı içinde bulunması gerekmez. Cismin yalnızca belirli bir bölümü sıvıya batar ve denge sağlandığında:
Kaldırma kuvveti = Cismin ağırlığı
olur.
Bu nedenle bir cismin sıvının ne kadarına battığı, cismin ve sıvının özkütleleri arasındaki ilişki hakkında bilgi verir.
Yoğunluğu sıvının yoğunluğuna çok yakın olan bir cismin daha büyük bölümü sıvı içinde kalırken, yoğunluğu sıvıdan çok daha küçük olan bir cismin daha az bölümü sıvıya batabilir.
Gemiler Nasıl Yüzer, Denizaltılar Nasıl Batar?
Gemilerin metalden yapılmasına rağmen su üzerinde kalması, kaldırma kuvvetinin günlük hayattaki en bilinen örneklerinden biridir.
Metal genellikle sudan daha yoğun olmasına rağmen gemiler yalnızca metalden oluşan dolu bir blok değildir. Geminin içinde büyük boşluklar bulunur. Bu boşluklar geminin toplam hacmini artırırken kütlesinin aynı oranda artmasını engeller.
Böylece geminin ortalama özkütlesi suyun özkütlesinden küçük olacak şekilde tasarlanabilir.
Gemi suya bırakıldığında belirli bir miktar suyun yerini değiştirir. Yer değiştiren suyun ağırlığı arttıkça gemiye uygulanan kaldırma kuvveti de artar. Kaldırma kuvveti geminin ağırlığına eşit olduğunda gemi dengede yüzer.
Geminin yükü arttığında ağırlığı da artar. Bu nedenle dengeyi yeniden sağlayabilmek için geminin biraz daha fazla suya batması gerekir. Daha fazla hacim suya girdiğinde yer değiştiren su miktarı ve buna bağlı olarak kaldırma kuvveti artar.
Denizaltılarda ise farklı bir sistem kullanılır. Denizaltıların içerisinde balast tankları bulunur. Bu tanklara su alındığında denizaltının toplam kütlesi ve ortalama özkütlesi artar. Böylece denizaltı aşağı doğru hareket edebilir.
Yüzeye çıkmak istendiğinde ise balast tanklarındaki su dışarı atılır ve tanklara hava doldurulur. Denizaltının ortalama özkütlesi azalınca yukarı yönlü hareket kolaylaşır.
Kaldırma kuvveti sorularında gemi, denizaltı, buz parçası veya sıvı içerisindeki farklı cisimler verilse de temel mantık değişmez. Öncelikle cismin ağırlığını, kaldırma kuvvetini, batan hacmi ve özkütle ilişkisini belirlemek gerekir.
Özellikle işlem sorularında formülü hemen kullanmak yerine önce “Cisim yüzüyor mu, batıyor mu, askıda mı?” sorusunu cevaplamak oldukça faydalıdır. Ardından hangi büyüklüklerin eşit olduğu daha kolay görülür.
Sıvıların kaldırma kuvveti konusunu çalıştıktan sonra farklı soru tipleri çözerek özkütle, basınç ve denge arasındaki ilişkiyi pekiştirebilirsiniz. Konunun daha temel düzeyde açıklamasına ihtiyaç duyuyorsanız kaldırma kuvveti nedir içeriğini de inceleyebilirsiniz.
