Basınç Nedir? Katı, Sıvı ve Gazlarda Basınç

Basıncın tanımı ve temel birimi

Basınç, bir yüzeye dik uygulanan kuvvetin yüzey alanına oranıdır. Başka bir ifadeyle basınç, kuvvetin yüzeye yayılma biçimini gösterir; yalnızca uygulanan kuvveti bilmek, basıncı belirlemek için yeterli değildir. Basıncın SI birimi pascaldır ve Pa ile gösterilir. Bir pascal, bir metrekarelik alana bir newtonluk kuvvet uygulanmasıyla oluşan basınçtır.

Bir yüzeye aynı büyüklükte kuvvet uygulanırken temas alanı küçülürse kuvvet daha dar bir bölgeye aktarılır ve basınç büyür. Temas alanı artırılırsa aynı kuvvet daha geniş bir bölgeye dağıldığı için basınç azalır. Örneğin sivri uçlu bir çivinin duvara girmesi, kuvvetin küçük çivi ucunda yoğunlaşmasıyla açıklanır. Çivinin baş kısmı ise parmağın uyguladığı kuvveti daha geniş bir alana yayarak elin zarar görmesini azaltır.

Kuvvet bir itme veya çekme etkisidir; basınç ise bu etkinin belirli bir yüzeye dağılımını ifade eder. Bu nedenle büyük kuvvet her zaman büyük basınç anlamına gelmez. Kuvvetin uygulandığı alan da değerlendirmeye katılmalıdır. Basit basınç hesaplamalarında kullanılan oranın anlamı ve birim dönüşümleri ayrı bir hesaplama konusudur.

Katı basıncında kuvvet ve temas alanı ilişkisi

Katıların basıncı, katının yüzeye uyguladığı kuvvet ve yüzeyle temas eden alan dikkate alınarak yorumlanır. Katı bir cisim yatay bir yüzeyde duruyorsa, ağırlığından kaynaklanan kuvvet yüzeye aktarılır. Bu kuvvet değişmeden temas alanı küçültülürse basınç artar; temas alanı büyütülürse basınç azalır. Kuvvet artırılır ve temas alanı aynı kalırsa yine basınç artar.

Bu durumun nedeni, aynı kuvvetin farklı büyüklükteki alanlara paylaştırılmasıdır. Küçük alanda her birim yüzeye düşen kuvvet daha fazla olur. Geniş alanda ise kuvvet daha büyük bir yüzeye yayıldığından birim alana düşen etki azalır. Örneğin kar üzerinde yürüyen bir kişinin ayakkabıları küçük temas alanına sahipse kişi kara daha kolay gömülebilir. Aynı kişinin geniş tabanlı kar ayakkabısı kullanması, ağırlığını daha geniş alana yayar ve kar üzerindeki basıncı azaltır.

Bir cismin yönü değiştirildiğinde ağırlığı değişmeyebilir; ancak yüzeye temas eden yüzün alanı değişebilir. Dik duran bir tuğlanın temas alanı, yan yatırılmış hâlinden farklıdır. Bu iki durumda tuğlanın yüzeye uyguladığı kuvvet aynı kabul edilse bile basınçları farklı olabilir. Dolayısıyla katı basıncını karşılaştırırken önce kuvvetin, sonra temas alanının değişip değişmediğine bakılır.

Sıvı basıncında derinlik ve yoğunluk ilişkisi

Durgun bir sıvının içindeki basınç, sıvı yüzeyinden aşağı doğru inildikçe artar. Çünkü daha derindeki bir noktada, o noktanın üzerinde bulunan sıvı sütununun ağırlığı daha fazladır. Sıvı basıncı aynı zamanda sıvının yoğunluğuna bağlıdır: Aynı derinlikte yoğunluğu daha büyük olan sıvı, daha fazla ağırlığı birim alana aktarır ve daha büyük basınç oluşturur.

Sıvı basıncının derinlikle artması, kabın biçiminden bağımsız olarak sıvı sütununun ağırlığıyla açıklanır. Aynı sıvıda derinlik iki farklı noktada farklıysa daha derindeki noktada basınç daha büyüktür. Aynı derinlikte bulunan iki noktada sıvıların yoğunlukları farklıysa yoğunluğu fazla olan sıvının basıncı daha büyük olur. Sıvının yüzeyine etki eden basınç da toplam basıncı etkileyebilir; ancak ortaokul düzeyindeki temel karşılaştırmalarda derinlik ve yoğunluk öne çıkar.

Örneğin yüzme havuzunda dibe doğru dalan bir kişinin kulaklarında basınç değişimi hissetmesi, derinlik arttıkça su basıncının artmasıyla ilişkilidir. Bir barajın alt bölümlerinin daha büyük su basıncına dayanacak biçimde tasarlanması da aynı nedene dayanır. Derinlik arttıkça baraj duvarına etki eden su basıncı artar.

Sıvıların basıncı kap duvarlarına ve içindeki cisimlerin yüzeylerine etki eder. Pascal ilkesi ve hidrolik sistemler, sıvı basıncının aktarılmasıyla ilgili ayrı bir konudur.

Gaz basıncının temel özellikleri

Gazlar da temas ettikleri yüzeylere basınç uygular. Gaz basıncı, gaz taneciklerinin kabın duvarlarına ve diğer yüzeylere çarpması sonucunda oluşur. Tanecikler sürekli ve rastgele hareket eder; çok sayıda çarpışmanın ortalama etkisi, yüzeyde basınç olarak gözlenir. Gazın tanecik sayısı arttığında, yüzeye gerçekleşen çarpışmaların sayısı ve dolayısıyla basınç artabilir. Taneciklerin ortalama hareket hızı arttığında da çarpışmaların etkisi büyüyebilir.

Şişirilmiş bir balonun gergin olması, içindeki gazın balonun iç yüzeyine basınç uygulamasından kaynaklanır. Lastik basıncı ölçülürken göstergenin atmosfer basıncına göre sıfır kabul edilebilmesi mümkündür; bu tür ölçümde önemli olan, lastiğin iç basıncının atmosfer basıncından ne kadar farklı olduğudur. Gaz yasaları, basınç ile hacim ve sıcaklık arasındaki ayrıntılı ilişkileri ele alan başka bir konudur.

Açık hava basıncı, üzerimizdeki hava tabakasının ağırlığından kaynaklanan basınçtır; yükseğe çıkıldıkça üzerimizdeki hava miktarı azaldığı için açık hava basıncı azalır. Atmosfer basıncının ölçülmesi ve barometreler ise ayrı bir inceleme konusudur.

Basınç değişimlerini karşılaştırma ve yorumlama

Basınç değişimini yorumlamak için maddenin hâline ve etkili değişkenlere bakılır. Katılarda kuvvet artarsa, temas alanı sabitken basınç artar; temas alanı artarsa, kuvvet sabitken basınç azalır. Sıvılarda aynı sıvı için derinlik arttıkça basınç artar; aynı derinlikte yoğunluk arttıkça basınç da artar. Gazlarda ise yüzeye çarpan taneciklerin sayısı ve çarpışmaların ortalama etkisi arttığında gaz basıncı artabilir.

Karşılaştırma yaparken yalnızca tek bir değişkene odaklanmak gerekir. Örneğin iki katı cisme aynı kuvvet uygulanıyor ancak birinin temas alanı daha küçükse küçük alana sahip olanın basıncı daha büyüktür. İki sıvı aynı derinlikteyse yoğunluğu fazla olan daha büyük basınç oluşturur; aynı sıvının farklı derinliklerindeki noktalar karşılaştırılıyorsa daha derindeki noktanın basıncı daha fazladır. Gazlarda da taneciklerin yüzeyle çarpışma sıklığı veya çarpışma etkisi artıyorsa basınç artışı beklenir.

Günlük yaşamda şişirilmiş bir lastiğin yüzeye temas etmesi, dalış sırasında derinliğin artması ve sivri bir cismin küçük bir alana kuvvet uygulaması farklı basınç durumlarına örnektir. Bu örneklerde doğru yorum için önce kuvvet, alan, derinlik, yoğunluk veya tanecik çarpışması değişkenlerinden hangisinin değiştiği belirlenir.