Pipetle sıvı içerken asıl iten kuvvet nereden gelir?
Bir içeceği pipetle içerken sıvının yukarı çekildiği söylenir. Bu günlük ifade hareketi anlatır, fakat kuvvetin nasıl oluştuğunu tam açıklamaz. Pipetin üst tarafındaki basınç azaltıldığında, bardağın açık yüzeyine etki eden daha yüksek basınç sıvının yükselmesini sağlayabilir.
Temsili görsel: Su dolu bardakta bir pipet; temsili fotoğraf. Kaynak: Refraction-with-soda-straw.jpg; üretici: User Bcrowell on en.wikipedia; lisans: CC BY-SA 3.0. Atıf bildirimi: Bcrowell. Kaynak bildirimi: Bcrowell.
İki taraftaki basıncı birlikte düşünün
Açık bardaktaki sıvı yüzeyine atmosfer basıncı etki eder. Pipetin içindeki sıvının üst tarafındaki basınç daha düşük hale getirildiğinde sıvının üzerinde farklı basınç koşulları oluşur. Hareketin açıklaması, bu farkla sıvı sütununun ağırlığını birlikte ele alır.
Basınç farkı yoksa ve sistem dengedeyse sıvının sırf pipet bulunduğu için yüksek bir seviyeye çıkması beklenmez. Burada aynı sıvı ve sıradan içecek pipeti için kılcallık etkisinin küçük olduğu basit model düşünülmektedir. Dar borulardaki kılcal yükselme başka bir fiziksel etkidir.
Vakum bir el gibi çekmez
Üstteki basıncın azalması, oraya sıvıyı tutup çeken yeni bir kuvvet eklenmesi değildir. Sıvının farklı yüzeylerine etki eden basınç kuvvetleri dengeden çıkar. Atmosfer basıncının serbest yüzeye uyguladığı etki bu farkın oluşmasında rol oynar.
OpenStax’ın basınç ölçümü açıklaması, atmosfer basıncından küçük değerlerin atmosfer referansına göre negatif gösterge basıncıyla ifade edilebildiğini belirtir. Negatif gösterge değeri, mutlak basıncın mutlaka negatif olduğu anlamına gelmez. Başlangıç alınan referans farklıdır.
Sıvı sütununun yüksekliği neye bağlı?
Dengede bir sıvı sütununun belirli yüksekliğini desteklemek için basınç farkı gerekir. Yoğunluğu sabit sıvının derinlikle basınç değişimi bu ilişkiyi açıklar. Daha yüksek sütun için, diğer koşullar aynı kaldığında daha büyük basınç farkı gerekir.
Varsayımsal olarak sıvı yoğunluğunu 1.000 kg/m³ ve yerçekimi ivmesini yaklaşık 10 m/s² alalım. 0,1 metrelik yükseklik farkının durgun dengedeki basınç karşılığı 1.000 pascaldır. Bu sayı gerçek bir içme ölçümü değil, sütun yüksekliğiyle basınç farkı arasındaki ilişkiyi gösteren hesaptır.
Yükseklik iki katına çıktığında bu modelde gerekli basınç farkı da iki katına çıkar. Ancak bu, gerçek akış sırasında gereken bütün farkın yalnız yükseklikten oluştuğunu söylemez. Pipet içinde hareket ve akış direnci de bulunabilir. Durgun sütun hesabıyla akış hesabı aynı kapsamda değildir.
Atmosferin rolü neden görünmez kalır?
Günlük ortamda atmosfer basıncı birçok yüzeye birden etki eder. Etkiler dengelendiğinde bunu ayrı bir itme gibi fark etmeyebiliriz. Pipetteki üst basınç değiştiğinde ise iki tarafın eşit olmaması hareketi açıklayan önemli unsur haline gelir.
Bu nedenle bardağın açık yüzeyi sistemin bir parçasıdır. Yalnız pipetin içini düşünmek, sıvıyı yukarı hareket ettiren basınç koşullarının nereden geldiğini eksik bırakır. Serbest yüzey ve pipetin üst ucu aynı açıklama içinde ele alınmalıdır.
Akışın sürmesi dengeye göre farklıdır
Bir sıvı sütununun hareketsiz kalmasıyla içeceğin sürekli akması farklı durumlardır. Akış sırasında pipetin uzunluğu, iç kesiti ve sıvının akış özellikleri etkili olabilir. Bunlar basınç farkının nasıl bir akışla sonuçlanacağını değiştirir.
İçme sırasında basınç koşulları da zaman içinde değişir. Tek bir sabit değerle bütün süreci anlatmak basitleştirmedir. Fakat temel fikir korunur: sıvı, yüzeylerine etki eden kuvvetlerin toplamına göre hareket eder; boşluk tarafından gizemli biçimde çekilmiş sayılmaz.
Yükselmenin bir sınırı vardır
Üst basıncın azaltılması sınırsız yükseklikte sıvı sütunu oluşturmaz. Kullanılabilir basınç farkı ve sıvının özellikleri sınır koyar. Sütun yüksekliğiyle basınç farkını ilişkilendirmek, yalnız daha çok çabayla her yüksekliğin aşılabileceği düşüncesini düzeltir.
Pipet örneği böylece atmosferi görünür kılan küçük bir basınç problemine dönüşür. Üst taraftaki basınç, açık bardak yüzeyi ve sıvının ağırlığı birlikte düşünüldüğünde yukarı hareketin nereden geldiği anlaşılır. Akışın ayrıntıları bu temel üzerine eklenir.
