Serbest yüzey

Serbest yüzey, bir akışkanın yüzeyinde normal gerilmenin sabit ve kayma gerilmesinin sıfır olduğu yüzey bölgesine denir. İki ayrı homojen akışkanın temas sınırı örnek olarak verilebilir: sıvı su ile atmosferdeki hava arasında. 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.

Bir akışkan bir yerçekimi alanında serbest bir yüzey oluşturur. 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).

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.

Dalgalar 

Eğer bir akışkanın serbest yüzeyi rahatsız edilirse, yüzeyde dalgalar oluşur. Bu dalgalar ise, 'elastik dalgalar' değildir. Bunlar, rahatsız edilen akışkanın yatay konumuna geri dönmesini sağlamaya çalışan yer çekimi kuvvetinin etkisinde oluşan dalgalardır.

Yüzey dalgalarının hızı, eğer akışkan derin ise, dalga boyunun kareköküyle orantılıdır. Dolayısıyla, denizdeki uzun dalgalar kısa dalgalardan daha süratlidir.

Rotasyon 

Eğer silindir bir kap bir akışkanla doldurulmuşsa ve bu kap, silindir ekseni ile kesişen dik bir eksen etrafında döndürülüyorsa, serbest yüzeyin parabolik dönel bir yüzey şeklinde (paraboloid) oluştuğu varsayılır. Serbest yüzeyin her noktası, üzerine etkiyen kuvvete diktir. Bu kuvvet ise her bir noktanın hareketine bağlı olarak oluşan, yer çekimi ve santrifüj kuvvetlerinin bileşkesidir. Bu prensip, sıvı aynalı teleskopların üretilmesinde kullanılır.

Eğer serbest bir akışkan paketi bir eksen etrafında dönüyorsa, serbest yüzey kutupları basık sferoit şeklini alır: bu, Dünya'nın yaklaşık şeklidir.

İlgili terimler 

Hidrodinamikte, serbest yüzey matematiksel olarak serbest yüzey koşulu ile belirtilir:

Akışkanlar dinamiğinde, serbest yüzey vorteksi, potansiyel vortex ya da girdap olarak da bilinir, irrotasyonel akım içinde oluşur. Örnek olarak, küvetteki suyun boşalmasındaki durum verilebilir.
Akışkanlar mekaniğinde, bir serbest yüzey akımı, ayrıca açık kanal akımı da denir, serbest yüzey altında yer çekimi kuvveti etkisiyle hareket eden akımdır. Genel anlamda su, atmosferdeki havanın altında akmaktadır.

Kaynakça 

Akışkanlar mekaniği