Yüzme, Askıda Kalma ve Batma Nasıl Gerçekleşir?

Kaldırma kuvvetinin temel anlamı

Kaldırma kuvveti, bir sıvının içine bırakılan cisme yukarı doğru uyguladığı itme kuvvetidir. Cisim sıvıya girdiğinde sıvı, cismin yüzeylerine basınç uygular. Cismin alt kısmındaki sıvı basıncı, genellikle üst kısmındaki basınçtan daha büyük olur. Bu basınç farkı, cismi yukarı doğru iten net bir kuvvet oluşturur.

Cismin ağırlığı aşağı doğru, kaldırma kuvveti ise yukarı doğru etki eder. Kaldırma kuvveti cismin ağırlığından büyükse cisim yukarı çıkar; küçükse cisim aşağı doğru hareket eder. İki kuvvet eşit olduğunda cisim bulunduğu seviyede kalabilir veya yüzeyde dengelenebilir.

Örneğin suya bırakılan bir topu elinizle aşağı bastırdığınızda eliniz, topun yukarı doğru itildiğini hisseder. Bu itme, suyun topa uyguladığı kaldırma kuvvetidir. Top serbest bırakıldığında bu kuvvet topun yeniden yukarı çıkmasına yardım eder.

Yüzme, askıda kalma ve batma durumları

Bir cisim sıvının yüzeyinde kalıyorsa yüzme, sıvının içinde ne dibe ne de yüzeye hareket etmeden duruyorsa askıda kalma, dibe doğru ilerliyorsa batma durumu gerçekleşir. Bu üç durum, kaldırma kuvveti ile cismin ağırlığının nasıl karşılaştığına göre ortaya çıkar.

Yüzen cisimde cisim bir miktar sıvının içine batar ve sıvıdan yeterli kaldırma kuvveti alır. Denge oluştuğunda kaldırma kuvveti cismin ağırlığına eşittir. Cismin bir bölümü suyun dışında kalabilir. Örneğin tahta parçası suya bırakıldığında tamamen suyun altına inmeden yüzeyde durabilir.

Askıda kalan cisimde kaldırma kuvveti cismin ağırlığına eşittir ve cisim sıvının içinde dengededir. Cisim suyun her tarafıyla çevrilidir; ancak yukarı ya da aşağı yönde hareket etmez. Suda uygun şekilde ayarlanmış bir oyuncak ya da küçük bir cisim, sıvının ortasında askıda kalabilir.

Batan cisimde ise cismin ağırlığı kaldırma kuvvetinden daha büyüktür. Bu nedenle cisim aşağı doğru hareket eder ve dibe ulaşabilir. Taşın suda batması buna örnektir. Taş, suyun yukarı doğru itmesine rağmen kendi ağırlığı daha etkili olduğu için dibe iner.

Cismin şekli, sıvıya ne kadarının girdiğini ve yüzme davranışını etkileyebilir; ancak temel karşılaştırma yine cismin yoğunluğu, sıvının yoğunluğu ve oluşan kaldırma kuvveti üzerinden yapılır.

Cismin ve sıvının yoğunluğunu karşılaştırma

Yoğunluk, bir maddenin belirli bir hacimde ne kadar madde içerdiğini gösterir. Bir cismin yoğunluğu sıvının yoğunluğundan küçükse cisim, ağırlığını dengeleyecek kadar sıvı içine batar ve yüzeyde kalır. Bu durumda cisim yüzer.

Cismin yoğunluğu sıvının yoğunluğuna eşitse cisim sıvının içinde askıda kalabilir. Çünkü cismin tamamı sıvı içinde bulunduğunda sıvının sağladığı kaldırma etkisi cismin ağırlığını dengeleyebilir. Cismin yoğunluğu sıvının yoğunluğundan büyükse ise cisim batsa bile yeterli kaldırma kuvveti oluşmaz ve cisim dibe doğru iner.

Örneğin tahta suya göre daha düşük yoğunlukluysa yüzer, taş suya göre daha yüksek yoğunlukluysa batar. Aynı cisim farklı sıvılarda farklı davranabilir. Sıvının yoğunluğu arttıkça, aynı cisim için daha büyük kaldırma kuvveti oluşabileceğinden yüzmek kolaylaşabilir. İnsan vücudunun suya göre yoğunluğu kişiden kişiye değişebilir; vücut yapısı ve akciğerlerdeki hava miktarı yüzme eğilimini etkileyebilir.

Batan hacim ile kaldırma kuvveti arasındaki ilişki

Bir cisim sıvıya ne kadar çok batarsa, o kadar fazla sıvının yerini değiştirir. Yer değiştiren sıvı miktarı arttıkça cisme etki eden kaldırma kuvveti de artar. Bu nedenle yüzen bir cisim, ağırlığını dengeleyecek kaldırma kuvvetine ulaşana kadar sıvıya biraz daha batar.

Örneğin suya bırakılan bir tahta parçası önce aşağı doğru hareket eder. Daha büyük bir bölümü suya girdikçe kaldırma kuvveti artar. Kaldırma kuvveti tahtanın ağırlığına eşit olduğunda tahta artık daha fazla batmadan yüzeyde dengelenir. Cismin ağırlığı değişirse denge için gereken batan hacim de değişebilir.

Günlük hayattan yüzme ve batma örnekleri

Tahta, suya göre daha düşük yoğunluklu olduğu için genellikle suyun yüzeyinde kalır. Taş ise suya göre daha yoğun olduğundan kaldırma kuvveti ağırlığını dengeleyemez ve batar. Aynı sıvıda iki farklı cismin farklı davranmasının nedeni, yoğunluklarının farklı olmasıdır.

Gemiler metalden yapılmış olsalar bile su üzerinde yüzebilir. Bunun nedeni yalnızca metalin özelliği değil, geminin içindeki boşluklarla birlikte değerlendirilen toplam yoğunluğu ve suya batan geniş bölümüdür. Gemi suya girdikçe daha fazla suyu yerinden uzaklaştırır ve yeterli kaldırma kuvveti oluştuğunda yüzeyde dengelenir. Can yeleği de vücudun toplam hacmini artırarak suya göre daha kolay yüzmeye yardımcı olur. Böylece kişi, ağırlığını dengeleyecek kaldırma kuvvetini daha kolay elde eder.

Bir plastik top suya bırakıldığında yüzebilir; topun içine su dolarsa toplam yoğunluğu artar ve batabilir. Bu örnekler, yüzme ve batmanın yalnızca cismin hangi maddeden yapıldığına değil, cismin toplam yoğunluğuna, sıvıya batan hacmine ve sıvının uyguladığı kaldırma kuvvetine bağlı olduğunu gösterir.