Sıvılar cisimlere nasıl bir kaldırma kuvveti uygular?

Sıvıların cisimlere uyguladığı kaldırma kuvveti, Arşimet prensibi olarak bilinen fiziksel bir olgudur. Bu prensibe göre, bir sıvı içine tamamen veya kısmen batırılan bir cisim, sıvı tarafından yukarı doğru bir kuvvetle itilir. Bu kuvvetin büyüklüğü, cismin sıvı içinde kapladığı hacim kadar sıvının ağırlığına eşittir. Kaldırma kuvveti, cismin sıvıdaki konumunu belirleyen temel faktörlerden biridir ve günlük hayatta gemilerin yüzmesi, balonların uçması gibi birçok olayın arkasındaki fiziksel prensiptir.

Kaldırma kuvveti, sıvıların basınç özelliklerinden kaynaklanır. Sıvı içindeki bir cismin üst ve alt yüzeylerine etki eden basınç farkı, net bir yukarı yönlü kuvvet oluşturur. Bu durum şu şekilde açıklanabilir:

• Sıvı derinliği arttıkça basınç artar, bu nedenle cismin alt yüzeyine etki eden basınç üst yüzeyine etki eden basınçtan daha fazladır
• Basınç farkından kaynaklanan bu net kuvvet, cismi yukarı doğru iter ve kaldırma kuvveti olarak adlandırılır
• Kaldırma kuvvetinin yönü daima yerçekimine zıt yöndedir (dikey olarak yukarı doğru)

MÖ 3. yüzyılda Arşimet tarafından keşfedilen bu prensip, kaldırma kuvvetinin hesaplanması için temel oluşturur. Matematiksel olarak ifade edildiğinde:

• Kaldırma kuvveti (Fk) = Cismin sıvı içinde kapladığı hacim (Vb) × Sıvının yoğunluğu (ds) × Yerçekimi ivmesi (g)
• Formül: Fk = Vb × ds × g
• Cismin ağırlığı (G) = Cismin hacmi (Vc) × Cismin yoğunluğu (dc) × Yerçekimi ivmesi (g)

Bir cismin sıvı içindeki durumu, kaldırma kuvveti ile cismin ağırlığının karşılaştırılmasıyla belirlenir:

• Cismin yoğunluğu sıvının yoğunluğundan küçükse (dc< ds): Kaldırma kuvveti cismin ağırlığından büyüktür, cisim yüzer
• Cismin yoğunluğu sıvının yoğunluğuna eşitse (dc = ds): Kaldırma kuvveti cismin ağırlığına eşittir, cisim sıvı içinde askıda kalır
• Cismin yoğunluğu sıvının yoğunluğundan büyükse (dc >ds): Kaldırma kuvveti cismin ağırlığından küçüktür, cisim batar

Kaldırma kuvveti, birçok pratik uygulamada karşımıza çıkar:

• Gemilerin su üzerinde yüzmesi (çelik yoğunluğu sudan büyük olmasına rağmen, geminin toplam hacmi ve şekli nedeniyle yeterli kaldırma kuvveti oluşur)
• Yüzme ve dalma olayları
• Sıvı ölçüm aletleri ve hidrometreler
• Su altı inşaat ve kurtarma çalışmaları
• Bazı hava taşıtları ve meteorolojik balonlar