Doğada her an etrafımızda gerçekleşen pek çok olay, aslında basınç sayesinde ortaya çıkmaktadır. Basınç, sıvılar, gazlar ve katı cisimler arasındaki etkileşimlerin anlaşılmasında önemli bir yer tutar. İster deniz seviyesinde bir atmosferik basıncı ölçüyor olalım, ister bir sıvı içindeki basıncı inceliyor olalım, bu kavramın pratikteki yeri çok büyüktür. Peki, basınç tam olarak nedir ve günlük yaşamımızda nasıl bir rol oynar? Bu yazıda, basıncın tanımından, çeşitlerine ve hayatımıza olan etkilerine kadar detaylı bir inceleme yapacağız.

Katı Basıncı

Topuklu ayakkabıyla yere basan ortalama kiloda bir kadın, 6.000 kilogram (6 ton) gibi devasa bir kütleye sahip filden daha fazla basınç uygular. Peki nasıl olur da 60 kilogram olan bir kadın, 6 tonluk devasa bir hayvandan daha fazla basınç yaratabilir? Bir kutup ayısının üzerinde yürüdüğü buzun kırılmaması için yürümek yerine sürünerek ilerlemesi, kedilerin ve diğer pençeli yırtıcıların pençelerinin sivri bir yapıda olması, martı ve ördek gibi canlıların ayaklarının perdeli olması bu ilginç karşılaştırmanın doğada gördüğümüz örnekleridir.

Katı basıncı, bir katı cisme uygulanan kuvvetin o cismin yüzeyine dağılan alanla ilişkili olan bir fiziksel büyüklüktür. Basitçe ifade etmek gerekirse birim yüzeye dik olarak etki eden kuvvet miktarına basınç denir. Basınca sebep olan kuvvete ise basınç kuvveti adı verilir. Basıncın birimi Pascal (Pa)'dır. Basınç vektörel (yönü ve büyüklüğü olan) bir kuvvet değil, skaler (sadece büyüklüğü olan) bir büyüklüktür.

Katı basıncı, yüzeye uygulanan kuvvet arttıkça artarken, uygulanan kuvvetin yayıldığı alan arttıkça azalır. Öyleyse katı basıncı şöyle formülize edilebilir:
P=FA
Burada PPP basıncı, AAA yüzey alanını ve FFF basınç kuvvetini ifade eder. Birim alana uygulanan dik kuvvet bize basıncı verir. Formülde de göründüğü üzere katı basıncı, uygulanan kuvvetle doğru orantılı iken uygulanan alan ile ters orantılıdır.

Basınç kuvveti ise basınçla kuvvetin uygulandığı yüzey alanının çarpımına eşittir. Basınç kuvveti, kuvvet olduğu için vektörel bir büyüklüktür ve birimi Newton'dur. Kuvvetin vektörel bir büyüklük olması çok önemlidir. Bir çiviye uygulanacak kuvvetin yönü ve büyüklüğü, çivinin yüzeye ne kadar derin batacağını belirler. Bu nedenle kuvvetin sadece büyüklüğü değil, hangi yönde uygulandığı da önemlidir ve kuvvetin yönü belirtilmelidir.

Peki basınç kuvveti vektörel bir büyüklükse nasıl olur da basınç skaler bir büyüklük olabilir? Çünkü basınç, birim alana düşen kuvvet miktarının ölçülmesidir ve yönü yoktur. Basınç kuvvetini şu şekilde ifade ederiz:
F⃗=P×A
Burada F⃗ basınç kuvvetini, AAA yüzey alanını ve PPP basıncı ifade eder. Artık basıncın formülünü öğrendiğimize göre baştaki örneğimizi test edebiliriz. 60 kilogram bir kadının topuklu ayakkabıyla 6 tonluk dev bir filden daha fazla basınç uyguladığını söylemiştik. Bakalım gerçekten bu iddia doğru mu?

İlk olarak yerçekimi ivmesini (g) = 10 m/s2 olarak alalım. (Yerçekimi ivmesi standart olarak 9.81 m/s2 alınır fakat işlem kolaylığı açısından 10'a yuvarlanarak da kullanılabilir) Filin kütlesi (m) 6.000 kg diyelim. Filin ağırlığını, F=G=mg formülünde verileri yerine koyarak 60.000 N olarak buluruz. Bir fil ayağının ortalama yüzey alanı 0.0025 m2, dört ayağının toplam alanı ise 0.1 m2 gibi düşünülebilir. Filin ağırlığını, filin 4 ayağının alanına bölersek filin yüzey üzerinde yarattığı basıncı buluruz. Verileri formülümüzde yerine koyarsak şöyle bir denklem elde ederiz:
P=60000N/0.1m2=600.000Pa
Böylece filin yere uyguladığı basıncı kabaca 600.000 Pascal olarak buluruz. Şimdi gelelim ortalama kiloda bir kadının yarattığı basınca. Yerçekimi ivmesini yine (g) = 10m/s2 olarak alalım. Kadının kütlesi için m= 60 kg diyelim. Kadının ağırlığını, F=G=mg formülünde verileri yerine koyarak 600 N olarak buluruz. Bir sivri topuklu ayakkabının alanı ortalama 2 cm2 (0.0002 m2), 2 topuğun alanı 0.0004 m2 denebilir. Verileri formülde yerine koyarsak:
P=600N/0.0004m2=1,500,000Pa
Göründüğü üzere eğer kuvveti uyguladığımız alan yeterince küçük bir alansa çok fazla kuvvet uygulamadan da devasa basınçlar yaratabiliriz. Bir fil bir insandan kabaca 80-100 kat daha büyük kütleye sahiptir ancak gerekli şartlar sağlandığında kütlesi bir fille kıyaslanamayacak olan insan, filden daha fazla basınç oluşturabilir.

Katı basıncına günlük hayattan örnekler

Katılarda basıncına günlük hayattan birçok örnek vermemiz mümkündür. Hayatın her alanında basınçtan yararlanırız ancak çoğu zaman bu durumun farkında olmayız. Bazen içinde bulunduğumuz problemi çözmemiz için basıncı arttırmamız gerekirken bazı durumlarda ise basıncı azaltmamız gerekir. Bir traktörün büyük tekerlere sahip olması, yere uygulanan basıncı azaltmak içinken bir bıçağın keskin tarafının bilenerek inceltilmesi basıncı arttırmak içindir. Böylece traktörler çamura batmaz ancak bıçağınız daha az kuvvetle daha iyi keser. Bir raptiyeyi parmaklarınızın arasına alıp kuvvet uygularsanız, raptiyenin sivri tarafının elinize battığını deneyimlerken, raptiyenin geniş kısmının batmadığını göreceksiniz. Sivri kısmının alanının küçük olması, kuvvetin daha dar bir alanda toplanmasına neden olduğu için sivri kısmının elinize veya panoya saplanması çok daha kolaydır. Her iki uçtaki kuvvet de aynıdır ancak kalemin sivri ucu daha farklı hissettirir. Bunun sebebi, kalemin ucundaki kuvvetin çok daha küçük bir alana dağılmasıdır.

Sıvı Basıncı

Sıvılar, taneciklerinin öteleme hareketi sayesinde akışkan bir yapıya sahiptirler ve belirli şekilleri olmamasına rağmen bulundukları kabın hacmini alırlar. Bu sayede sıvılar kabın temas ettikleri her yüzeyine basınç uygulayabilirler ve aynı derinlikteki yüzeylere aynı basınç uygulanır. Sıvıların da basıncı, ağırlıkları ile ilgilidir. Sıvı basıncı manometre ile ölçülür.
Sıvı basıncı formülü:
P=h⋅d⋅g
Burada h sıvının yüksekliğini, d sıvının yoğunluğunu, g yerçekimi ivmesini ifade etmektedir. Sıvı basıncı, sıvının derinliğine, yoğunluğuna ve yerçekimi ivmesine bağlıdır ancak sıvının yüzey alanına, kütlesine, hacmine ve kabın şekline bağlı değildir.
Bir kapta birden fazla farklı yoğunluğa sahip sıvı olabilir. Bu durumda, sıvıların yaptığı basınçlar ayrı ayrı hesaplanır ve bulunan basınç değerleri toplanarak toplam basınç değeri elde edilir.
Pascal Prensibi, sıvı basıncının bulaşma prensibi olarak da bilinir. Sıvı basıncının bulaşma prensibi olarak da bilinen Pascal Prensibi, kapalı bir sıvıya basınçta bir değişiklik uygulandığında, basıncın sıvı boyunca her yönden eşit olarak iletildiğini belirtir. Bu ilke, sıvıların sıkıştırılamaz özellikte olmalarından faydalanır.

Gaz Basıncı

Gazlar da sıvılar gibi akışkandırlar ve bulundukları kabın şeklini alırlar. Gaz molekülleri, kabın içinde rastgele hareket eder. Gaz moleküllerinin oluşturduğu basınç, kabın duvarlarına yaptıkları çarpmalarla oluşur. Gazların basıncı, hacim, sıcaklık ve tanecik sayısına bağlı olarak değişir. Gaz basıncı için ideal gaz denklemi:
P=nRT/V
Bu formülde P basıncı, V hacmi, n mol sayısını, R evrensel gaz sabitini ve T sıcaklığı ifade eder.
Gazların basıncı, sıcaklığa, hacme ve tanecik sayısına bağlıdır. Gaz basıncının artması, gaz moleküllerinin kabın duvarlarına daha sık çarpmasına neden olur.

Sonuç olarak basınç, hayatın her alanında karşımıza çıkan; doğayı, teknolojiyi ve insan bedenini etkileyen temel bir fiziksel kavramdır. Katı, sıvı ve gaz basınçları ile atmosfer basıncı, çevremizdeki olayların büyük bir bölümünü anlamamıza yardımcı olur. Bu yönleriyle basıncı anlamak; güvenli mühendislik hesaplamaları yapabilmek, hava olaylarını tahmin edebilmek, insan sağlığını etkileyen çevresel koşulları değerlendirebilmek açısından oldukça önemlidir.