Buz Neden Yüzer? Basınç, Yoğunluk ve Kaldırma

Bardaktaki buz suyun üstünde durur. Alışkanlık bunu normal sayar. Çoğu katı, kendi sıvısında batar. Su tersini yapar. Katı hâli, sıvı hâlinden daha seyrektir. Seyrek olan, aynı hacimde daha az kütle taşır. Bu yüzden buz, taşırdığı suyun ağırlığından hafif kalır ve yüzer.

Yoğunluk kütle değildir

Yoğunluk, kütlenin hacme bölümüdür. Ağır bir cisim büyükse seyrek olabilir. Hafif bir cisim küçükse yoğun olabilir. Bir gemi tonlarca çelik taşır ve yine yüzer. Çünkü gövdenin içindeki hava, ortalama yoğunluğu suyun altına indirir. Çeliğin kendisi batır. Çelik ile havanın birlikte kapladığı hacim yüzdürür.

Kütle ile ağırlığı karıştırmamak da burada işe yarar. O ayrım eylemsizlik yazısında durur. Kaldırma kuvveti bir ağırlık karşılaştırmasıdır. Yoğunluk ise bu karşılaştırmayı hacimle böler. İkisini tek kelimeye indirmek, gemiyi çelik battı diye anlatmaya götürür.

Arşimet ne dedi

Sıvıya batırılan bir cisme, taşırdığı sıvının ağırlığı kadar yukarı bir kuvvet etki eder. Cisim, bu kuvvet kendi ağırlığından büyükse yükselir, eşitse asılı kalır, küçükse batar. Buz, hacminin bir kısmıyla, kendi ağırlığına eşit su taşıracak kadar batar. Kalanı suyun üstünde durur. Tamamı suyun altında kalmaz.

Bu, buzun suda çözünmediği anlamına gelmez. Erime ayrı bir süreçtir. Yüzme, erimeden önceki yoğunluk farkıdır. İkisini aynı anda görmek, birinin diğerini açıkladığı anlamına gelmez.

Basınç derinlikle artar

Sıvının içindeki basınç, derinleştikçe artar. Artış, üstteki sıvının ağırlığından gelir. Bir küpün alt yüzeyi, üst yüzeyinden daha derindedir. Alttaki basınç daha büyük olduğu için net kuvvet yukarı bakar. Arşimet kuvveti, bu basınç farkının toplamıdır. Ayrı bir gizli itiş değildir.

Derinlik arttıkça basınç büyür. Bu büyüme, her cismin dibe yapışacağı anlamına gelmez. Net kuvvet hâlâ taşırılan sıvının ağırlığıdır. Dibe çöken, ortalama yoğunluğu sıvıdan büyük olandır. Basınç onun üzerine de aynı derinlikte aynı değeri uygular.

Su neden ters

Su molekülleri katılaşırken altıgen bir düzen kurar. Düzen, sıvıdaki sıkışık dizilişten daha fazla yer kaplar. Aynı kütle daha büyük hacme yayılınca yoğunluk düşer. Buz yaklaşık onda bir oranında daha seyrektir. Bu yüzden yüzer ve gölün dibi en son donar. Dipteki su, yüzeydeki buzun altında sıvı kalabilir. Canlılar bu sayede kışı yüzeyin altında geçirebilir. Bu bir doğa öyküsüdür, yasanın kendisi değil. Yasa, yoğunluk farkıdır.

Çekim olmasa kaldırma da hissedilmez. Kuvvet, ağırlıkla yarışır. Çekimin çerçevesi Newton'dan Einstein'a uzanan yazıda durur. İstasyondaki bir bardakta buz, suyun üstüne çıkmak zorunda değildir. Çünkü ağırlık hissi yoktur. Yüzme, çekimin olduğu bir terazidir.

Sık sorulan sorular

Ağır her cisim batar mı?

Hayır. Batan, ortalama yoğunluğu sıvıdan büyük olandır. Çelik gemi, içindeki havayla birlikte sudan seyrekse yüzer. Kütle tek başına yetmez.

Buz neden suyun üstündedir?

Katı su, molekül düzeni yüzünden sıvı sudan daha seyrektir. Taşırdığı suyun ağırlığı, kendi ağırlığını dengeleyecek kadar batar. Kalanı üstte kalır.

Basınç artınca her şey dibe mi gider?

Hayır. Derinlikte basınç büyür. Net kaldırma kuvveti yine taşırılan sıvının ağırlığıdır. Yoğunluğu düşük olan, derinlikte de yukarı itilir.