Yaş: 12-16
Tüplü dalgıçların ve denizaltıların suya nasıl dalabildiğini ve sonra tekrar suyun yüzeyine nasıl çıkabildiğini hiç düşündünüz mü? Ya da bir denizaltının suyun içinde nasıl kontrol edildiğini hiç merak ettiniz mi?
Deneyler köşesinin yeni etkinliğinde bir kartezyen dalgıç tasarlayarak bu soruların cevaplarını bulmaya çalışırken, yoğunluk ve basınç kavramları hakkında bilgi sahibi olabilirsiniz. Evde ve okulda kolayca bulabileceğiniz malzemelerle gerçekleştirebileceğiniz bu etkinlik sayesinde kendi kartezyen dalgıcınızı tasarlayabilirsiniz.
Anahtar Kavramlar: Yoğunluk, basınç, ideal gaz kanunları
Bilmekte Fayda Var!
Kartezyen dalgıç, geçmişi yüzlerce yıl önceye dayanan eski bir bilim deneyidir ve 1596-1650 yılları arasında yaşayan Fransız bilim insanı René Descartes tarafından tasarlanmıştır. Bu deney sayesinde sıvıların kaldırma kuvvetini ve bu olguyu açıklayan Arşimet prensibini daha iyi kavrayabilirsiniz.
Günümüzden yaklaşık 2200 yıl önce yaşayan Arşimet, kralın tacının saf altından yapılıp yapılmadığını anlamak için bir yol bulmuştu. Arşimet kralın tacını suya batırdı ve taşırdığı suyun ağırlığını ölçtü. Daha sonra taç ile aynı ağırlıkta saf altın bir kütleyi suya batırıp taşırdığı suyun ağırlığının tacın taşırdığı suyunkiyle aynı olup olmadığını karşılaştırdı. Çünkü kralın tacı saf altından yapılmışsa, saf altın kütleyle aynı ağılıkta su taşırması gerekirdi.
Bir akışkanın içindeki bir cisme etki eden kaldırma kuvveti, yer değiştiren akışkanın ağırlığına eşittir. Günümüzde kaldırma kuvvetinin tanımı olarak bu açıklamayı kullanıyoruz.
Bazı maddeler suyun içinde yüzerken bazı maddeler batar. Akışkanlar içlerinde bulunan cisimlere kaldırma kuvveti uygular. Akışkanın içinde yüzen bir cisme etki eden kaldırma kuvveti cismin ağırlığına eşittir. Bir cismin bir akışkanın içinde yüzmesi ya da batması akışkanın ve cismin yoğunlukları ile ilişkilidir. Cismin yoğunluğu akışkanın yoğunluğundan düşükse, cisim akışkanın içinde yüzer.
Denizaltıların suya batıp tekrar suyun yüzeye çıkabildiğini biliriz. Denizaltılarda içi hava ya da su ile doldurulabilen tanklar (safra tankı olarak isimlendirilir) bulunur. Bu tanklar su ile doldurulduğunda denizaltının ortalama yoğunluğu artar ve suya batar. Denizaltılar suyun yüzeyine çıkacağı zaman safra tanklarındaki su boşaltılıp içi hava ile doldurulur. Bu durumda denizaltının ortalama yoğunluğu azalır ve denizaltı suyun yüzeyine çıkar.
Birçok balıkta bulunan yüzme kesesinin işlevi de safra tankınınkine benzerdir. Balıklar yüzme keselerindeki kasları kullanarak keselerin içindeki havayı boşaltabilir veya keseye tekrar hava doldurabilir. Böylece suda batmadan durabilir, suyun derinliklerine dalabilir ve suyun yüzeyine çıkabilirler.
Nelere İhtiyacımız Var?
- 1,5-2 litrelik boş plastik şişe ve kapağı
- 1 adet plastik damlalık
- 1 adet altıgen şekilli somun
- Su
- Makas
Ne Yapıyoruz?
Kartezyen Dalgıç Tasarlama
Altıgen şekilli somunu damlalığın boğumlu kısmına kadar geçirelim.
Somun ile damlalık arasında hiç boşluk kalmamalıdır. Bu nedenle somunun büyüklüğünü damlalığın boyutuna göre seçmeye dikkat edelim.
Somunu damlalığın bombeli kısmına kadar geçirelim, sonra uçta kalan kısmı somunun 1 cm aşağısından keselim.
Kartezyen dalgıcımız hazır. Dilerseniz keçeli kalemler ile dalgıcınızı boyayabilirsiniz.
Bu etkinlikte kartezyen dalgıcımızı plastik damlalık ve altıgen somun kullanarak tasarladık.
Siz de farklı malzemeler kullanarak kendi dalgıcınızı tasarlayabilirsiniz.
Kartezyen Dalgıcı Yüzdürme ve Batırma
Plastik şişeyi tamamen su ile dolduralım.
Tasarladığımız kartezyen dalgıcı suyun içine bırakalım. Kartezyen dalgıç suyun dibine mi battı, suda asılı mı kaldı, yoksa suyun üzerinde mi yüzdü?
Şişenin kapağını sıkıca kapatalım. Kartezyen dalgıcın suyun içindeki konumunu tekrar gözlemleyelim.
Şişenin gövdesini elimizle sıkalım. Kartezyen dalgıcın konumunda değişiklik oldu mu?
Şişeyi sıkmayı bırakalım. Kartezyen dalgıcın suyun içindeki hareketini gözlemleyelim.
Ne Oldu?
Kartezyen dalgıcın suyun içinde nasıl hareket ettiği yoğunluk kavramıyla ilişkilidir.
Kartezyen dalgıcı suyun içine bıraktığımızda dalgıç suyun üzerinde yüzdü. Çünkü dalgıcın ortalama yoğunluğu (toplam kütlesi/toplam hacmi) suyun yoğunluğundan küçüktür. Kartezyen dalgıcın toplam kütlesi, damlalığın kütlesi ile içindeki suyun ve havanın toplam kütlesine eşittir. Dalgıcın toplam hacmi ise damlalığın hacmine eşittir.
Şişeyi elimizle sıktığımızda kartezyen dalgıcın suyun içinde dibe doğru battığını gözlemledik. Şişeyi elimizle sıktığımızda şişenin içindeki basınç artar. Bu durumda damlalığın içindeki havanın hacmi azalır, su seviyesi ise yükselir. Damlalığın kütlesi, içindeki su miktarındaki artış nedeniyle artar ancak hacmi aynı kalır. Bu durumda dalgıcın yoğunluğu artar. Dalgıcın yoğunluğu şişenin içindeki suyun yoğunluğundan büyük olduğunda kartezyen dalgıç batar.
Basınç arttığında damlalığın içindeki havanın hacmi azalır. Çünkü gazlar sıkıştırılabilir özellikteyken, katılar ve sıvılar sıkıştırılamazlar.
İdeal gaz yasalarından Boyle yasası sıcaklığı ve içindeki madde miktarı sabit bir kaptaki bir gazın basıncının hacmiyle çarpımının daima sabit olacağını söyler. Yani gazın basıncı hacmi ile ters orantılıdır.
Şişeyi sıkmayı bıraktığımızda dalgıcın tekrar suyun yüzeyine doğru hareket ettiğini gözlemledik. Çünkü şişeyi serbest bıraktığımızda içindeki basınç düştü. Bu durumda damlalığın içindeki havanın hacmi arttı ve su seviyesi azaldı. Dolayısıyla dalgıcın yoğunluğu azaldı ve dalgıç yeniden yüzmeye başladı.
Unutmayın!
Etkinliği yaparken şişenin tamamen su ile dolması ve kapağını kapattıktan sonra şişenin ağız kısmı ile kapak arasında hava kalmaması çok önemli.
Düşünelim!
Plastik şişenin veya damlalığın boyutunu değiştirerek etkinliği tekrarladığımızda, kartezyen dalgıcı hareket ettirmek için sıkmamız gereken miktar değişiyor mu?
Suyun sıcaklığını (örneğin oda sıcaklığından daha sıcak ya da daha soğuk su kullanabiliriz) değiştirelim. Bu durumda kartezyen dalgıcın suyun içindeki konumu ve hareket etme şekli değişti mi?
Etkinliği tuzlu su karışımı ile tekrar edelim. Kartezyen dalgıcın suyun içindeki konumu ve hareket etme şekli değişti mi?
Etkinliği birden fazla dalgıç ile deneyebilirsiniz. Bu durumda dalgıçların birer birer battıklarını ve benzer şekilde yüzeye çıktıklarını görürsünüz. Bu durumun nedeni ne olabilir?
Unutmayın!
Etkinlikte değişiklikler yapabilirsiniz. Ancak bir etkeni değiştirdiğinizde diğer faktörler aynı kalmalıdır.
Yazar Hakkında:
Dr. Tuğba Ecevit
Hacettepe STEM & Maker Lab. Ekibi Üyesi