Suda yüzen veya batan cisimleri incelediğinizde, garip gibi gözüken pek çok farklı cisim bulabilirsiniz. Geçtiğimiz gün Physics Is Fun (Fizik Eğlencelidir) Facebook grubunda sorulan bir soru da buna örnek verilebilir. Bir kullanıcı “Çiviler suya batıyor ama demir ve çelik gemiler yüzüyor, bu neden böyle?” diye sordu.
Kaldırma kuvveti nedir?
Bu sorunun cevabını vermek için, öncelikle kaldırma kuvveti hakkında biraz bilgi sahibi olmamız gerekiyor. Kaldırma kuvveti, bir akışkanın (sıvıların yanı sıra hava dahil herhangi bir akan madde) içindeki tüm cisimlere yukarıya doğru uygulanan kuvvettir. Bu kuvvet, daha derin kısımlara indikçe akışkanın içindeki basıncın artmasından kaynaklanır. Akışkan içindeki bir nesnenin derinliklerindeki basınç, üst kısımlardakinden daha yüksektir ve bu da yukarı doğru kuvvete neden olur. Arşimed ilkesi, bir akışkana kısmen veya tamamen daldırılmış bir cismin, yerini değiştirdiği sıvının ağırlığına eşit büyüklükte bir kaldırma kuvveti tarafından etkilendiğini belirtir.
Bir akışkanın kaldırma kuvveti, içine yerleştirilen bir nesnenin aşağı doğru uyguladığı kuvvetten (kütlesi çarpı yerçekimi alanı kuvveti) daha büyükse, nesne yüzer. Ancak yüzeydeyken sudan daha yoğun olan nesneler, kuvvetler eşitlenene kadar batacaktır.
Yani bir çivi, sudan daha yoğun olduğu için batar. Suyun yüzey gerilimi tarafından yüzer bir şekilde tutulabilen daha küçük nesneler için bazı istisnalar bulunsa da, genel olarak çoğu cisim bu kuralı takip eder.
Çivi batarken gemi nasıl yüzüyor?
Ancak çelik sudan daha ağır olsa da, yüzbinlerce ton yük taşıyabilen kargo gemileri (dış bir etki olmadığı sürece) batmadan yüzmeyi başarabiliyor. Bütün bir çelik nesne elbette suya batacaktır, ancak gemiler, tamamen çelikle dolu cisimler değildir. Gemileri yüzer bir şekilde tutan şey, içlerinin hava da dahil olmak üzere diğer pek çok malzemeyle dolu olmasıdır. Bu farklı malzemeler sayesinde bir geminin ortalama yoğunluğu, suyun yoğunluğundan daha düşük olur ve dolayısıyla yukarıya doğru uygulanan kuvvet, onu okyanusun dibine çeken kuvvetten daha büyüktür ve böylece yüzebilir. 100.000 ton ağırlığındaki bir gemiyi suya koyduğunuzda, 100.000 ton suyun yerini değiştirene kadar batacaktır. Gemiyi sudan daha yoğun nesnelerle doldurduğunuzda, yeni ağırlığa eşit olacak kadar suyun yerini değiştirene kadar suya batmaya devam eder.