Neden Bazı Maddeler Suda Yüzer, Bazıları Batar?

Denize atılan bir taş hemen dibi boylarken, aynı denizde binlerce ton ağırlığındaki bir gemi rahatça yüzer. Küçük bir dikiş iğnesi bardağın dibine iner, kocaman bir kütük su yüzeyinde salınır. İlk bakışta çelişkili görünen bu manzaranın açıklaması ağırlıkta değil, cismin ne kadar yer kapladığında ve suyu ne kadar ittiğinde saklıdır. Yüzme ve batma, doğanın en sade kurallarından birine dayanır.

Belirleyici olan ağırlık değil yoğunluk

Bir cismin suda ne yapacağını belirleyen şey yoğunluğudur. Yoğunluk, bir maddenin belirli bir hacimde ne kadar kütle taşıdığını anlatır. Aynı büyüklükteki iki kutudan biri tüylerle, diğeri kumla doldurulduğunda ikisinin hacmi eşittir ama kütleleri çok farklıdır. Suyun yoğunluğundan daha az yoğun olan cisimler yüzer, daha yoğun olanlar batar. Bu yüzden bir tonluk kütük yüzerken bir gramlık çakıl taşı dibe iner.

Bu ilkeyi ilk kez sistemli biçimde açıklayan kişi Antik Yunan'da yaşamış Arşimet'tir. Onun adıyla anılan ilkeye göre suya batırılan bir cisim, yerini değiştirdiği suyun ağırlığı kadar yukarı doğru bir kuvvetle itilir. Bu kuvvete kaldırma kuvveti denir. Cismin ağırlığı, ittiği suyun ağırlığından küçükse cisim yüzeye çıkar; büyükse batar. İkisi eşitse cisim suyun içinde asılı kalır.

Peki çelik gemiler nasıl yüzer?

Çelik, sudan yaklaşık sekiz kat daha yoğun bir malzemedir. Katı bir çelik blok kesinlikle batar. Ancak gemi katı bir blok değildir; içi büyük ölçüde havayla dolu, geniş hacimli bir kabuktur. Geminin toplam hacmi hesaba katıldığında, gövde ve içindeki havanın ortalama yoğunluğu suyun yoğunluğunun altında kalır. Böylece gemi, kendi ağırlığı kadar suyu iterek yüzeyde durur.

Aynı deneyi mutfakta yapmak mümkündür. Bir parça alüminyum folyo top hâline sıkıştırılıp suya bırakıldığında batar, ama aynı folyo kayık biçiminde açıldığında yüzer. Madde değişmemiştir, değişen tek şey kapladığı hacimdir. Geminin gövdesinde bir delik açıldığında hava yerini suya bırakır, ortalama yoğunluk yükselir ve gemi batmaya başlar. Deniz kazalarının fiziği tam olarak buradan işler.

Suyun kendisi de değişkendir

Karşılaştırma yapılan suyun özellikleri de sonucu etkiler. Tuzlu su, içinde çözünmüş tuz nedeniyle tatlı sudan daha yoğundur. Bu yüzden denizde yüzmek göldekinden daha kolaydır ve tuz oranı çok yüksek göllerde insanlar neredeyse hiç çaba harcamadan su yüzeyinde durabilir. Gemilerin gövdesinde bulunan yükleme çizgileri de bu farkı hesaba katarak tuzlu ve tatlı sudaki farklı batma seviyelerini gösterir.

Sıcaklık da yoğunluğu değiştirir. Sıcak su soğuk suya göre daha az yoğundur ve bu nedenle üstte kalma eğilimindedir. Göllerde ve denizlerde katmanlaşmanın nedeni budur. Suyun en ilginç özelliği ise donarken davranışıdır: çoğu madde katı hâlde sıvı hâlinden daha yoğunken, buz sudan daha az yoğundur. Buzdağlarının yüzmesi ve göllerin üstten donması bu istisnai özellik sayesindedir.

Yüzey gerilimi ayrı bir hikâye

Bazı cisimlerin yüzmesi yoğunlukla değil, suyun yüzeyindeki ince bir zarımsı davranışla ilgilidir. Su molekülleri birbirini çeker ve yüzeyde gerilmiş bir örtü gibi davranır. Buna yüzey gerilimi denir. Dikkatlice bırakılan bir dikiş iğnesi ya da su üzerinde koşan böcekler, çelikten ya da havadan hafif oldukları için değil, bu zarı yırtmadıkları için yüzeyde kalır. Zar bir kez bozulduğunda cisim hemen dibi boylar.

Havanın içinde de aynı kural işler

Kaldırma kuvveti yalnızca suya özgü değildir; hava da bir akışkandır ve aynı kural orada da geçerlidir. Helyum ya da sıcak hava dolu bir balon, çevresindeki soğuk havadan daha az yoğun olduğu için yükselir. Sıcak hava balonlarının yakıcıyı çalıştırınca yükselmesi, içindeki havanın genleşip seyrelmesinden kaynaklanır. Yani gökyüzünde yükselen balon ile denizde yüzen gemi aynı fiziği paylaşır.

Evde denenebilecek küçük gözlemler

Bu kuralı görmek için karmaşık bir düzenek gerekmez. Bir kaba su doldurup içine limon atmak yeterlidir: kabuklu limon yüzer, kabuğu soyulduğunda batar, çünkü kabuktaki gözenekli yapı hava barındırır. Ham bir yumurta suda dibe iner ama suya bolca tuz eklendiğinde yüzeye çıkar. Aynı yöntemle bayat yumurta ayırt edilebilir; içinde biriken gaz nedeniyle eski yumurtalar daha kolay yüzer.

Farklı sıvıları üst üste dökerek katmanlar oluşturmak da öğreticidir. Bal, su ve sıvı yağ bir bardağa sırayla konduğunda birbirine karışmadan üç ayrı tabaka hâlinde durur, çünkü yoğunlukları farklıdır. Bu katmanların arasına bırakılan küçük cisimler kendi yoğunluklarına uyan seviyede durur. Böyle bir gözlem, kitapta okunan tanımı gözle görülür bir düzene çevirir.

Yüzmek ve batmak, maddenin ne kadar ağır olduğuyla değil, ağırlığını ne kadar geniş bir alana yaydığıyla ilgilidir. Bu basit ölçüt gemilerin tasarımından denizaltıların dalış sistemine, sıcak hava balonlarından mutfaktaki küçük denemelere kadar aynı biçimde işler. Günlük hayatta sıradan görünen pek çok manzaranın arkasında, yüzyıllar önce fark edilmiş bu tek cümlelik kural durur.