Basınç ölçümü: Barometre, manometre, altimetre

Fizikte bir büyüklükten bahsedebilmemiz için onu ölçebilmemiz gerekir. Basınç birim yüzey alana düşen kuvvettir diye bu kavramı tanımladığımıza göre ölçebiliyor olmalıyız da. Peki basınç nasıl ölçülür? Basınç ölçümü için basıncın tanımından ve maddenin farklı hallerindeki basınç ilişkilerinden faydalanılır. Sırasıyla en sık kullanılan basınç ölçen araçları inceleyelim.

Barometre nedir, nasıl çalışır?

Açık hava basınç ölçümü yapmakta kullanılan araçlara barometre denir. Yıllar içinde farklı fizik ilkelerini kullanarak tasarlanan barometreler üretilmiştir.

Cıvalı Barometreler

Açık hava basıncının var olduğunu ilk kez gösteren Toriçelli deneyinde kullanılan basınç ölçer, ilk icat edilen barometredir. Yaklaşık 1 metre uzunluğunda bir cam tüp cıvayla doldurulup ters çevrilir ve cıva dolu bir çanağın içine yerleştirilir. Tüpteki cıvanın bir kısmı boşalır ama hepsi boşalmaz. Cıvanın yüksekliği (yani cıvanın sıvı basıncı) açık hava basıncına eşit olur, çünkü çanaktaki cıvaya açık hava basıncı uygulanmaktadır. Açık hava basıncının çoğu zaman mmHg (cıvanın kaç mm yükseldiği) birimiyle ifade edilmesinin nedeni cıvalı barometrelerdir. İşte bu prensip kullanılarak günümüzde bile cıvalı barometreler yapılıyor. Aşağıdaki resimde ilk çanaklı cıvalı barometrelerden birinin çizimi görülüyor. (76 mm değil 76 cm olacak, görseli buna göre yorumlayın.)

 

Cıvalı barometrelerin pahalı olması, camın kırılma riskinin bulunması, cıvanın ağır metal zehirlenmesine yol açabilmesi gibi dezavantajlarından dolayı metal ya da aneroid barometreler icad edilmiştir.

Aneroid veya Metal Barometreler

1844 yılında Fransız bilim insanı Lucien Vidi ilk metal barometreyi icat etmiştir. Metal barometre, aneroid hücre denen berilyum ve bakır alaşımından yapılmış metal bir kutuyu kullanır. Hava basıncındaki değişiklikler metal kutunun genleşmesine ya da büzülmesine neden olur. Bu genleşme ve büzülme metal barometrenin göstergesine yay mekanizmalarıyla bağlanır. Böylece göstergeden basınç değeri okunur. Metal barometreler genellikle eski gemilerde ve meteoroloji istasyonlarında bulunur. Aşağıdaki resimde evlerde kullanılmak üzere tasarlanmış bir aneroid barometre görülüyor. Göstergede havanın nasıl olacağı da işaretlenmiş, çünkü hava durumuyla hava basıncı arasında ilişki var.

 

Metal barometreler cıvalılara göre hem daha ucuz hem de taşınması kolay olduğu için yaygınlaşmıştır. Ancak cıvalı barometreler kadar hassas olmayabilirler, zaman içinde mekanizmaları bozulabilir.

Elektronik veya Dijital Barometreler

Çağımızdaki bir çok araç gibi navigasyon (yön bulma) ve meteorolojide kullanılan barometreler de artık dijital oldu. Elektronik barometrelerin çalışma ilkeleri biraz karmaşık ama şöyle özetlenebilir: Elektronik barometre sensörleri deniz seviyesinden yüksekliği gösterir. Bu sensörlerde ince bir telin etrafına bir zar sarılıdır. Zara uygulanan basınç değişince telin direnci de değişir. Teldeki direnç değişimi bir voltaj değişimi olarak ölçülür, bu voltaj yükseltilir, değeri basınç birimine dönüştürülür ve göstergede basınç olarak gösterilir. Akıllı telefonların bazılarında barometre sensörleri bulunuyor. Bu sensörler için yazılmış uygulamalarla açık hava basıncını ölçebiliyoruz. Aşağıdaki resim bir dijital barometreyi gösteriyor.

Manometre nedir, nasıl çalışır?

Kapalı kaplardaki gaz basıncını ölçmek için kullanılan araçlara manometre denir. Manometrelerin de farklı çeşitleri vardır. Örneğin oksijen tüpleri, tüpgaz ya da yangın söndürme tüpleri içlerinde gaz bulunan kapalı kaplardır.

İki ucu açık cıvalı manometre

İki ucu açık manometrede, cam tüplerin birine basıncı ölçülecek kapalı kaptaki gaz bir hortumla bağlanır, diğer uç açık kalır. Açık uçtan açık hava basıncı uygulandığı için, manometrenin iki tüpü arasındaki sıvı yüksekliği farkı gaz basıncından açık hava basıncının çıkarılmasıyla bulunur. Manometrenin mutlaka cıva ile yapılması gerekmez, başka sıvı da kullanılabilir. Aşağıdaki resimde boyalı su ile yapılmış iki ucu açık manometre görülüyor.

Yukarıdaki resimde başlangıçta cam tüplerin her iki tarafındaki basınçlar eşit, ikisi de açık hava basıncına eşit. Sonra soldaki tüpe şeffaf plastik bir boruyla bağlanmış olan şırınga ittirilince sol taraftaki basınç artıyor. Şırıngadaki gazın basıncı sağ ve sol tüplerdeki sıvı basınç farkıyla hava basıncının (atmosfer basıncının) toplamına eşit.

P_gaz = hdg + P_atmosfer

Bir ucu açık cıvalı manometre

Bu aslında cıvalı barometrenin neredeyse aynısıdır. Sadece açık hava basıncı yerine, kapalı bir kapta bulunan gaz, tüpün ucuna bir hortumla bağlanır. Cıva seviyesi (mmHg birimiyle) ile gazın basınç ölçümü yapılır. Gazın basıncını bulurken bu kez atmosfer basıncını hesaba katmamız gerekmez.
P_gaz = hdg
Aşağıdaki resimde bir ucu açık cıvalı manometre görülüyor.

Metal Manometre

Tıpkı açık hava basıncını ölçmek için metal barometrelerde olduğu gibi, kapalı kaplardaki gazların basıncını ölçmek için metal manometreler de kullanılır. Çalışma prensibi metal barometreninki ile aynıdır. Sadece bu kez bir hortumla kapalı kaptaki gaz metal manometreye bağlanır. Aşağıdaki resimde oksijen tüpüne bağlanmış bir metal manometre gösteriliyor.

 

Kan basıncı veya tansiyon ölçerler

Tansiyon ölçmek, kan basıncını ölçmek anlamına gelir. Tıpta önemli bir hayati göstergedir. Tansiyon ölçer aslında bir manometredir. Tansiyon cihazının yastığı (balonu da diyebiliriz) kişinin koluna takılır ve şişirilir, yani içi havayla doldurulur. Havanın bir gaz olduğunu ve balonun da kapalı kap olduğunu fark etmiş olmalısınız. Tansiyon ölçerin yastığı bir hortumla genellikle metal bir manometreye bağlıdır. Yastık kontrollü bir şekilde yavaş yavaş söndürülür ve kol damarlarındaki basınç ölçülür. Aşağıda metal manometreli bir tansiyon ölçme aleti görülüyor.

Daha yeni tansiyon ölçme araçları elektronik ya da dijital manometreleri kullanıyor. Bu manometreler de aslında dijital barometrelerle aynı prensiple çalışıyor. Aşağıdaki resimde modern bir tansiyon ölçme cihazı görülüyor.

Hem analog (metal manometreli) hem de dijital manometreli tansiyon ölçme cihazlarında basınç biriminin mmHg cinsinden verildiğine dikkat edin.

Altimetre nedir, nasıl çalışır?

Hava basıncındaki değişimi ölçerek, deniz seviyesinden ne kadar yüksekte olduğunuzu gösteren araçlara altimetre denir. Altimetre aslında bir tür barometredir diyebiliriz. Uçaklarda ve helikopterlerde vazgeçilmez ölçüm cihazlarıdır. Ayrıca paraşütçüler ve sıcak hava balonu ile uğraşanlar için de çok önemlidir. Paraşütçüyseniz yerden yüksekliğinizi (rakımınızı) yanlış ölçerseniz hayatınıza mal olabilir. Aşağıdaki resimde bir uçağın içindeki analog altimetre gösteriliyor.

Modern cihazlar ise elektronik ya da dijital. Bazı saatlerde de altimetre bulunuyor. Aşağıdaki resimde bir dağcının kolundaki dijital altimetre görülüyor.

Batimetre nedir?

Durgun sıvılarda, sıvının basıncını ölçerek derinliği hesaplamaya yarayan araçlara batimetre denir. Sıvı basıncının derinlikle ve sıvının özkütlesiyle ilişkili olmasından faydalanılır. Bourdon-tüpü ya da metal zarlar da sıvı basıncını ölçmek için kullanılabilir. Okyanus, deniz ve göllerde deniz altı haritaları bu basınç ölçerlerle hesaplanır. Ayrıca denizaltılarda ne kadar derinlikte bulunulduğunu göstermek için kullanılır.

Basınç ölçümü ile ilgili kazanımlar

2017 – 10.2.1.1. Basınç ve basınç kuvveti kavramlarının katı, durgun sıvı ve gazlarda bağlı olduğu değişkenleri açıklar.

• Basınç etkisiyle çalışan ölçüm aletlerinden barometre, altimetre, manometre ve batimetre hakkında bilgi verilir.

Kaynaklar

• How to use a barometer?
• Barometre National Geographic
• Dijital Barometre: Cdiilio Es eseri. CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons,
• Cıvalı Manometre: Hannes Grobe eseri. CC BY-SA 2.5, via Wikimedia Commons,
• Barometre sensörü bulunan akıllı telefonlar: