Şişedeki Deliklerle Su Basıncı Deneyi Nasıl Yapılır?

Deneyin amacı ve araştırma sorusu

Deneyin amacı, aynı sıvı içinde su yüzeyinden farklı uzaklıklarda bulunan noktaların basınçlarını karşılaştırmaktır. Araştırma sorusu şöyle kurulabilir: Şişedeki deliklerin su yüzeyine olan derinliği arttıkça deliklerden çıkan suyun akışı nasıl değişir?

Deney sırasında yalnızca suyun ne kadar uzağa gittiğine bakılmaz; jetin çıkışındaki akışın daha güçlü olup olmadığı da gözlemlenir. Daha derindeki delikten çıkan suyun genellikle daha ileriye ulaşması, o noktadaki su basıncının daha büyük olduğuna dair deneysel kanıt sağlar. Ancak bu gözlem, basıncın doğrudan sayısal ölçümü değil, basınç farkının su akışına yansımasıdır.

Şişe, delik ve su düzeneğinin hazırlanması

Düzeneğin temel parçaları plastik bir şişe, su, aynı büyüklükte birkaç delik, delikleri geçici olarak kapatmak için bant ve suyun akacağı geniş bir kaptır. Şeffaf ve dik durabilen bir plastik şişe seçmek, su seviyesini ve deliklerin konumunu gözlemlemeyi kolaylaştırır. Cam şişe yerine plastik şişe kullanılması kırılma riskini azaltır.

Şişenin bir yüzüne, düşey doğrultuda en az üç delik işaretlenir. Örneğin delikler tabana yakın, ortada ve üst bölüme yakın olacak şekilde aynı düşey çizgi üzerinde bulunabilir. Deliklerin çapları eşit olmalı ve delikler açıldıktan sonra bantla tamamen kapatılmalıdır. Böylece deney başlarken her delikten aynı anda su çıkması önlenir.

Şişe, devrilmeyecek biçimde geniş bir tepsinin içine dik yerleştirilir. Deliklerin önünde su jetlerinin ulaşacağı boş bir alan bırakılır. Şişe suyla doldurulduğunda, suyun ağırlığı bütün deliklere etki eder; su yüzeyinin altında daha derinde bulunan delik, üzerinde daha yüksek bir su sütunu taşıdığı için farklı bir basınçla karşılaşır. Deliklerin konumları ve şişenin dikliği deney boyunca değişmemelidir.

Değişkenlerin kontrol edilmesi

Değişkenleri kontrol etmek, gözlenen farkın gerçekten derinlikten kaynaklanmasını sağlamaktır. Bu deneyde değiştirilen değişken, deliklerin su yüzeyine olan derinliğidir. Gözlenen değişken ise su jetinin akış biçimi ve ulaştığı mesafedir. Delik çapı, şişenin konumu, suyun türü ve başlangıçtaki su seviyesi gibi etkenler mümkün olduğunca aynı tutulur.

Deliklerin büyüklükleri farklı olursa daha büyük delikten, derinliği aynı olsa bile daha fazla su çıkabilir. Bu nedenle delikler aynı araçla ve benzer çapta açılmalı; bir deliğin genişlemesi durumunda deney yeniden kurulmalıdır. Şişe eğik durursa deliklerin gerçek derinlikleri ve jetlerin yönleri değişeceğinden, şişe dik tutulmalıdır.

Su miktarı da karşılaştırmayı etkiler. Örneğin şişe bir denemede tamamen, başka bir denemede yarıya kadar doldurulursa üstteki su yüzeyi değişir ve her deliğin derinliği yeniden belirlenir. Karşılaştırma için şişe başlangıçta belirli bir seviyeye kadar doldurulmalı ve gözlemler su seviyesi aynıyken yapılmalıdır. Deliklerin aynı düşey çizgide bulunması, jet yönlerinin karşılaştırılmasını da kolaylaştırır.

Deneyin uygulama basamakları ve güvenli çalışma

Önce plastik şişenin bir yüzüne aynı düşey çizgi üzerinde üç delik işaretleyin. Deliklerin birbirinden farklı yüksekliklerde olmasına, fakat çaplarının mümkün olduğunca aynı kalmasına dikkat edin. Delik açma işlemini bir yetişkinin yapması veya öğretmen gözetiminde gerçekleştirilmesi daha güvenlidir. Deliklerin üzerini su doldurmadan önce bantla kapatın.

Şişeyi geniş bir tepsiye dik biçimde yerleştirin ve devrilmeyeceğinden emin olun. Tepsinin çevresinde suyun sıçrayabileceği düşünülerek elektronik araçları, kitapları ve kayganlaşabilecek eşyaları uzaklaştırın. Şişeyi aynı seviyeye kadar suyla doldurun. Daha sonra bütün bantları aynı anda ve dikkatlice çıkararak suyun üç delikten birlikte çıkmasını sağlayın.

Su jetlerinin yönünü ve ulaştığı mesafeyi kısa bir süre gözlemleyin. Karşılaştırma sırasında şişeyi tutup sallamayın, su seviyesini değiştirmeyin ve deliklerin önüne cisim koymayın. Örneğin alt delikten çıkan su tepsinin daha uzak bir noktasına ulaşırken üst delikten çıkan su şişeye yakın düşebilir. Gözlem tamamlanınca şişeyi boşaltın, zemindeki suyu silin ve kullanılan kesici aracı güvenli bir yere kaldırın.

Gözlem ve sonuçların kaydedilmesi

Her deliği su yüzeyine göre üst, orta veya alt konum olarak kaydedin. Su jetinin ulaştığı uzaklığı aynı başlangıç noktasından ölçmek için tepsiye cetvel yerleştirebilir ya da düşen su noktalarını bantla işaretleyebilirsiniz. Ayrıca jetin ince veya güçlü görünmesi, kesintili akıp akmaması ve suyun hangi noktaya düştüğü not edilmelidir.

Örneğin gözlem tablosunda “delik konumu”, “su yüzeyine göre derinlik”, “jetin ulaştığı mesafe” ve “akış gözlemi” sütunları bulunabilir. Deneyden önce bir tahmin yazın: “Su yüzeyinden daha derindeki delikten çıkan su daha uzağa ulaşacaktır.” Deney sonunda tahmininizi ölçümlerle karşılaştırın; sonucu yalnızca tek bir izlenime değil, kaydedilen ortak gözleme dayandırın. Fark küçükse düzeneği ve değişkenlerin kontrolünü yeniden inceleyin.

Hidrostatik basıncın derinlikle ilişkisi

Hidrostatik basınç, durgun bir sıvının kendi ağırlığı nedeniyle sıvı içindeki bir noktaya uyguladığı basınçtır. Aynı sıvıda bir noktanın su yüzeyinden derinliği arttıkça, o noktanın üzerinde bulunan su sütunu uzar. Daha uzun su sütununun ağırlığı, aşağıdaki bölgeye daha fazla basınç uygulanmasına yol açar.

Şişedeki her delik, üzerindeki su sütununun ağırlığından etkilenir. Üstteki deliğin üzerinde daha az su bulunduğu için basıncı daha küçüktür. Alt deliğin üzerinde daha fazla su bulunduğu için basıncı daha büyüktür. Bu basınç, suyu delikten dışarı doğru iter. Şişenin içindeki ve dışındaki hava basıncı aynı çevrede bulunduğundan, jetin oluşumunda özellikle su sütununun derinliğinden kaynaklanan basınç farkı önem kazanır.

Bu ilişkiyi ifade etmek için ortaokul düzeyinde şu bağıntı kullanılabilir: p = ρgh. Burada p hidrostatik basıncı, ρ sıvının yoğunluğunu, g yer çekimi etkisini ve h su yüzeyinden ölçülen derinliği gösterir. Aynı su ve aynı ortam için ρ ile g değişmediğinden, derinlik arttığında basınç da artar. Örneğin alt delik su yüzeyinden üst delikten daha uzaktaysa, alt delikteki su basıncı daha büyük olur ve bunun sonucu olarak su genellikle daha güçlü bir jet hâlinde çıkar.

Sıvı yoğunluğunun hidrostatik basınca etkisi ayrı bir inceleme konusudur. Bu deneyde kullanılan suyun türü değiştirilmediği için temel karşılaştırma derinlik üzerinden yapılır.

Su basıncı ile su jetinin menzili arasındaki fark

Su jetinin menzili, suyun delikten çıktıktan sonra yatayda ulaştığı uzaklıktır; su basıncı ise sıvının belirli bir noktaya uyguladığı itme etkisidir. Daha derindeki delikte basınç daha büyük olduğu için suyun çıkış hızı ve jetin ulaşabildiği mesafe artabilir. Bu nedenle deneyde menzil, basınç değişiminin gözlenebilir bir göstergesi olarak kullanılabilir; fakat menzil basıncın kendisi değildir.

Menzil yalnızca deliğin içindeki basınca bağlı değildir. Deliğin yerden yüksekliği, suyun çıkış yönü ve jetin havada izlediği yol da suyun düştüğü noktayı etkiler. Örneğin alt delik daha büyük basınca sahip olsa bile yere çok yakınsa, suyun hareket edeceği düşey mesafe farklı olabilir. Bu yüzden sonuç “en uzağa giden jetin basıncı kesin olarak şu kadardır” şeklinde değil, “kontrol edilen koşullarda daha derindeki delikten çıkan jet daha uzağa ulaştı; bu durum daha büyük su basıncıyla uyumludur” şeklinde yorumlanmalıdır.

Jetin menzilini belirleyen hareket ve hız hesapları, bu deneyin gözlemsel karşılaştırmasının ötesinde ayrı bir konudur.