Gemilerin su üstünde kalmasını sağlayan temel prensip “Arşimed Prensibi”dir. Bu prensip, Arşimed adlı antik Yunan bilim insanı tarafından formüle edilmiştir. Prensip şöyle der: “Bir cisim sıvı içine daldırıldığında, cisim üzerindeki yukarı doğru kuvvet, cismin ittiği sıvının ağırlığına eşittir.”
Bu prensip, gemiler için şu şekilde çalışır:
- Hacim ve Deplasman: Gemiler, boşken bile büyük bir hacme sahip oldukları için büyük miktarda suyu iterler (deplasman). Bu itilen suyun ağırlığı, geminin su içinde batmamasını sağlayan yukarı doğru bir kuvvet oluşturur.
- Yoğunluk: Bir geminin yoğunluğu, genellikle deniz suyunun yoğunluğundan daha azdır. Geminin yoğunluğu, geminin toplam kütlesinin geminin toplam hacmine bölünmesiyle bulunur. Eğer geminin yoğunluğu suyun yoğunluğundan daha azsa, gemi batmaz.
- Tasarım: Geminin tasarımı da önemlidir. Geminin dengeli bir şekilde su üstünde kalmasını sağlamak için denge ve istikrar hususlarında dikkatli tasarlanmıştır.
- Boşluklar ve Hava: Gemilerin içinde, yakıt tankları, yük bölmeleri ve diğer hava dolu alanlar gibi birçok boş alan bulunmaktadır. Bu hava dolu alanlar geminin genel yoğunluğunun azalmasına katkıda bulunur, bu da geminin yüzmeye devam etmesini sağlar.
Bu prensiplere rağmen, gemi aşırı yüklendiğinde, zarar gördüğünde veya başka bir şekilde yoğunluğu suyun yoğunluğunu aştığında batmaya başlar.
Demir suda battığı halde niçin demirden yapılan gemiler suda yüzmektedir?
Demirin suda batmasının sebebi, demirin yoğunluğunun (kütlesinin hacmine oranı) suyun yoğunluğundan daha fazla olmasıdır. Ancak demirden yapılan gemilerin suda yüzmesinin nedeni, geminin toplam yoğunluğunun suyun yoğunluğundan daha düşük olmasıdır.
Bunu daha ayrıntılı olarak açıklamak için şunları göz önünde bulundurmalıyız:
- Gemi Tasarımı: Demirden yapılan gemiler, sadece demirden oluşmaz. Gemilerin içi, genellikle hava ile dolu büyük boşluklara sahiptir. Bu boşluklar, geminin toplam hacmini artırır, ama kütlesine çok az katkıda bulunur. Bu da geminin ortalama yoğunluğunu (kütlesinin hacmine oranı) azaltır.
- Ortalama Yoğunluk: Bir geminin su üstünde kalabilmesi için geminin toplam yoğunluğunun (yani tüm malzemelerinin ve içindeki havanın yoğunluğunun ortalaması) suyun yoğunluğundan daha düşük olması gerekir. Yani, gemi çok büyük bir hacme sahipken, içerisinde bulunan hava sayesinde ortalama yoğunluğu azalır. Bu nedenle su üzerinde kalabilir.
- Arşimed Prensibi: Bir cisim sıvıya daldırıldığında, cisim üzerine yukarı doğru etki eden kuvvet, cismin sıvıda yer kapladığı hacimdeki sıvının ağırlığına eşittir. Eğer bu yukarı doğru kuvvet, geminin ağırlığına eşit veya daha büyükse, gemi yüzer. Gemi, demirin aksine, büyük bir hacim kaplar ve bu hacmin büyük bir kısmı hava dolu olduğu için, suyun bu hava dolu hacim için yarattığı yukarı doğru kuvvet, geminin ağırlığını dengeler ve gemi yüzer.
Sonuç olarak, bir parça demirin bütünüyle suyun yoğunluğundan daha fazla yoğunluğa sahip olması, demirin suda batmasına neden olur. Ancak bir gemi, tasarımı ve içerisinde barındırdığı hava dolu boşluklar sayesinde ortalama yoğunluğu suyun yoğunluğundan daha az olabilir ve bu nedenle yüzebilir.
Neden gemi yüzer taş batar?
Gemi yüzerken taşın batmasının sebebi, bu iki cismin yoğunlukları ve Arşimed prensibine nasıl tepki verdikleriyle ilgilidir. İşte bu fenomenin arkasındaki anahtar konseptler:
- Yoğunluk: Yoğunluk, bir cismin kütlesinin hacmine oranıdır. Eğer bir cismin yoğunluğu suyun yoğunluğundan (yaklaşık 1 g/cm^3) daha düşükse, o cisim yüzebilir. Eğer yoğunluğu suyun yoğunluğundan daha yüksekse, cisim batar.
- Arşimed Prensibi: Arşimed prensibine göre, bir cisim sıvıya daldırıldığında üzerine yukarı doğru bir kuvvet uygulanır. Bu kuvvet, cismin yer değiştirdiği sıvının ağırlığına eşittir. Eğer bu yukarı doğru kuvvet, cismin ağırlığına eşit veya daha büyükse, cisim yüzer. Eğer bu kuvvet cismin ağırlığından daha küçükse, cisim batar.
Gemi Nasıl Yüzer?
- Bir gemi, genellikle metal (çoğunlukla çelik) gibi yoğun malzemelerden yapılır. Ancak gemi, tasarımı sayesinde büyük bir hacme sahiptir ve içerisinde çok miktarda hava barındırır.
- Bu hava dolu boşluklar geminin toplam yoğunluğunu azaltır. Bu nedenle geminin ortalama yoğunluğu, suyun yoğunluğundan daha düşük olabilir.
- Sonuç olarak, gemi yeterli miktarda suyu yer değiştirebildiği için yüzer.
Taş Neden Batar?
- Taş, yoğun bir malzemeden oluşur ve genellikle suyun yoğunluğundan daha yoğundur.
- Taşın hacmi küçüktür ve içerisinde hava barındırmaz, bu nedenle su üzerinde kalmak için yeterli bir yukarı doğru kuvvet yaratamaz.
- Sonuç olarak, taşın yoğunluğu suyun yoğunluğundan daha yüksek olduğu için batar.
Bu nedenle, yüzme veya batma, cismin kendisinin yoğunluğuna değil, cismin ortalama yoğunluğuna bağlıdır. Geminin büyük hacmi ve içerisindeki hava dolu boşluklar, ortalama yoğunluğunu düşürürken, taşın yoğun yapısı onun su içerisinde batmasına neden olur.