Serbest yüzey
From Wikipedia, the free encyclopedia
Serbest yüzey, bir akışkanın yüzeyinde normal gerilmenin sabit ve kayma gerilmesinin sıfır olduğu yüzey bölgesine denir.[1] İki ayrı homojen akışkanın temas sınırı örnek olarak verilebilir: sıvı su ile atmosferdeki hava arasında.[2] Sıvıların aksine, gazlar serbest yüzey oluşturamazlar. Bunun sebebi, gazların (molekülleri arasındaki bağların zayıf olmasından ötürü) bulundukları ortamı, ne kadar büyük olursa olsun, genleşerek doldurmak istemeleridir.[3]
Bir akışkan bir yerçekimi alanında serbest bir yüzey oluşturur.[3] Mekanik denge oluşmuş ise, bu serbest yüzey akışkana etki eden bileşke kuvvet'in yönüne dik olması zorundadır. Eğer dik değil ise, yüzey boyunca bir başka kuvvet bulunmaktadır ve akışkan kuvvet yönünde akar. Bu sebeple, dünya üzerindeki tüm serbest yüzeyler yataydır (yalnızca yüzey gerilmelerinin hilalsi bir yüzey yapısına yol açtığı su içine batırılmış katı cisim yüzeylerinin temas noktalarında).[4]
Yerçekimi kuvveti gibi dış kuvvetlerin etkimediği serbest bir akışkan paketçiğinde, yalnızca iç kuvvetler etkilidir (ör. Van der Waals kuvvetleri, hidrojen bağları). Bu unsurun serbest yüzeyinin, unsurun hacminin alabileceği en düşük yüzey alanına tekabül eden şekli alacağı varsayılır: mükemmel bir küre. Bu, bir alkol-su karışımına yağ damlatıldığında gözlemlenebilir. Damlatılan yağ, karışım yüzeyinin hemen altında küresel bir şekilde durur çünkü alkol-su karışımı içindeki yağa etkiyen yerçekimi kuvveti ve kaldırma kuvveti birbirini dengeler.[5][6]