Basınç

Cisimler, ağırlıkları veya üzerlerindeki kuvveti ileterek temas ettikleri yüzeye basınç uygular. Basınç; günlük hayatta kullanılan eşyaların tasarımı, gökdelen vb. yapıların inşası, kemik veya eklemlerdeki tahribat gibi pek çok durum üzerinde etkilidir. Mühendis, doktor, mimar, tasarımcı gibi meslek çalışanları güvenlik, dayanıklılık, konfor, kolaylık ve işe yararlık ölçütleri doğrultusunda basıncın günlük hayat uygulamalarıyla ilgili çalışmalar yapmaktadır. Örneğin sırt çantalarının tasarımları kullanım amacına göre farklılık gösterir.

Basıncın Tanımı ve Matematiksel Modeli

Birim yüzeye etki eden dik kuvvetin büyüklüğüne basınç denir. Basınç, skaler bir büyüklüktür ve P sembolü ile gösterilir. SI'da basıncın birimi pascaldır (Pa). F büyüklüğündeki bir kuvvet A yüzey alanına dik bir şekilde etki ettiğinde bu yüzeyde oluşan basınç,

P = F / A

matematiksel modeli ile bulunur. SI'da kuvvetin birimi N ve yüzey alanının birimi m²'dir; Pa biriminin karşılığı olarak N/m² de kullanılabilir.

Bir cismin bir yüzeye uyguladığı kuvvetin büyüklüğü ağırlığı kadardır. Bu nedenle cisimler, ağırlıklarının bir sonucu olarak bulundukları yüzeye basınç uygular. Kesit alanı A olan küp şeklindeki bir cismin yatay düzleme uyguladığı kuvvetin büyüklüğü (F), cismin ağırlığına (G) eşittir. Cismin kütlesi m, yer çekimi ivmesi g alındığında cismin ağırlığı G = m·g olur. G ağırlığındaki cismin yatay düzlemde oluşturduğu basınç,

P = F/A = G/A = m·g/A

matematiksel modeli ile bulunur.

Toprak, Çamurlu veya Sert Zeminlerde Basınç Uygulamaları

Toprak, çamurlu veya sert zeminlerde iş makinelerinin ağırlıkları nedeniyle batmadan, devrilmeden ilerleyebilmesi için zemine uyguladıkları basınç azaltılmalıdır. Bunun için geniş lastik tekerlekler veya paletli sistemler kullanılır. Paletler asfalt gibi zeminlerin aşınmasına neden olacağından paletli iş makinelerinin bu zeminler üzerinde uzun süre hareket etmesi istenmez; bu makineler ağırlıkları nedeniyle asfalt yollara zarar verdiğinden trafiğe çıkarılmaz, bunun yerine bir tırın üzerinde taşınır. Tırın lastik sayısı ve genişliği, üzerinde taşıdığı ağırlığa göre değişir.

Kuvvetin Yönü ve Büyüklüğü Değiştirilmeden İletilmesi

Cisimler, üzerine uygulanan kuvveti yönünü ve büyüklüğünü değiştirmeden aynen iletir. Örneğin bir çiviye uygulanan F kuvveti, çivinin uç kısmına yönü ve büyüklüğü değişmeden aynen iletilir. Ancak çivinin başındaki yüzey alanı (A₁) ile ucundaki yüzey alanı (A₂) arasında A₁ > A₂ ilişkisi olduğundan, aynı kuvvete rağmen ucundaki basınç başındaki basınçtan daha büyük olur (P₂ > P₁). Bu ilkeye göre F₁ = F₂ olsa bile A₁ ≠ A₂ ise P₁ ≠ P₂ olur; yani aynı büyüklükteki bir kuvvet, uygulandığı yüzey alanı küçüldükçe daha büyük bir basınç oluşturur.

Örnek Çözüm

Özdeş küplerden oluşan ve her birinin ağırlığı G, bir yüzeyinin alanı A olan bir cisim önce dört küpün üst üste durduğu (taban alanı A, toplam ağırlık 4G, basınç 4G/A) bir konumda, sonra dört küpün yan yana yattığı (taban alanı 4A, toplam ağırlık yine 4G, basınç G/A) bir konumdadır. Her iki durumda da kuvvetin büyüklüğü cismin ağırlığına eşit olup değişmez; ancak cismin yere temas eden yüzey alanı arttığında (4A), aynı ağırlık daha geniş bir alana yayıldığından yere uygulanan basınç azalır. Bu örnek, aynı ağırlıktaki bir cismin farklı şekillerde durmasının basıncı nasıl değiştirebileceğini somut biçimde gösterir.

Basıncı Artırma ve Azaltma Uygulamaları

Günlük hayatı kolaylaştırmak için çeşitli alanlarda basıncın artırılması veya azaltılmasına yönelik bilimsel çalışmalar yapılmaktadır. Basıncın artırılması, belirli bir kuvvetin daha küçük bir yüzey alanına uygulanmasıyla sağlanır; basıncın azaltılması ise belirli bir kuvvetin daha büyük bir yüzey alanına uygulanmasıyla sağlanır. Bu iki ilke, çeşitli araçların ve teknolojilerin çalışma prensiplerinde önemli bir yer tutar:

• Basıncı azaltma örnekleri: Traktörlerin arka tekerleklerinin geniş yüzeyli seçilmesi, kar ayakkabılarının tabanlarının geniş olması (kar üzerine batmadan yürümeyi sağlar), fil ve gergedan gibi hayvanların ayak tabanlarının aynı ağırlığa sahip diğer canlılara göre daha büyük olması, kumsalda yürürken tabanı geniş sandaletlerin tercih edilmesi, ekskavatörün (kazaratar) geniş paletli sistemleri kullanması.
• Basıncı artırma örnekleri: Bıçağın keskin yüzeyinin ince yapılması (kesme kuvvetini küçük bir alana yoğunlaştırarak keskinliği artırır), çivi ve raptiyelerin uçlarının sivri olması (çakma kuvvetini çok küçük bir alana yoğunlaştırarak kolayca batmasını sağlar), çadır kazıklarının ucunun sivri olması (toprağa daha kolay girmesini sağlar), ekskavatör kepçesinin dişlerinin sivri olması (kepçenin daha derinlere ulaşabilmesini sağlar).

İnce topuklu ayakkabılara topuk ucu koruma aparatı takılması da benzer bir mantıkla çalışır: Bu uygulama sayesinde ayakkabı topuklarının yumuşak toprak veya çimli zeminlere batması ve topukların yıpranması önlenir, kişinin rahat yürümesi sağlanır; böylece kolaylık, işe yararlık ve konfor bir arada elde edilmiş olur.

Basınca Etki Eden Etmenler

Basınca etki eden iki temel etmen vardır: uygulanan kuvvetin büyüklüğü ve kuvvetin uygulandığı yüzey alanı. Kuvvet arttıkça basınç artar; yüzey alanı arttıkça ise aynı kuvvet daha geniş bir bölgeye yayıldığından basınç azalır. Bu ilişki, P = F/A matematiksel modelinde açıkça görülür: pay (F) büyüdükçe basınç büyür, payda (A) büyüdükçe basınç küçülür. Günlük hayatta karşılaştığımız pek çok araç ve alet, işte bu iki etmenden birini değiştirerek belirli bir işi kolaylaştıracak ya da güvenli hâle getirecek şekilde tasarlanmıştır.