Bilim insanları buzun neden kaygan olduğunu sonunda çözdü

Hakemli bilim dergisi Physical Review X'de yayımlanan yeni araştırmaya göre buzun kayganlığı, yüzeydeki epey hareketli su moleküllerinden kaynaklanıyor. Araştırmanın yazarlarından Rinse Liefferink, "Yüzeydeki bu su moleküllerinin hareketliliği, sürtünmeyi azaltarak kaymayı mümkün kılıyor" dedi ve ekledi:

“Sürtünme her zaman aynı seviyede olmaz. Çalışmamızda moleküllerin hareketliliğini ve dolayısıyla buzun kayganlığını temas basıncını artırarak veya sıcaklığı düşürerek azaltabileceğimizi gördük.”

NEDENİ DÜŞÜNÜLDÜĞÜNDEN DAHA KARMAŞIK

Genellikle buz yüzeyinde biriken suyun, zeminin kayganlaşmasını sağladığı düşünülüyor. Ancak bu suyun nereden geldiği tartışmalı bir konu. Bununla ilgili ilk açıklama, John Joly tarafından 1886'da ortaya atılmıştı. Joly, bir patenin buz üzerinde oluşturduğu basıncın buzu erittiğini ve sıvı suya dönüşmesine neden olduğunu öne sürmüştü.

Ancak özellikle donmuş kanallarda ve paten pistlerinde ölçülen -3,5 derecenin altındaki sıcaklıklarda buzun erimesi için ekstrem basınç seviyeleri gerektirdiği ve Jolly'nin önerisinin gerçekçi olmadığı ortaya çıkmıştı.

Günümüzde de bu erimenin sürtünmeden kaynaklandığı düşünülüyor. Kayma sırasında oluşan ısının, buzun bir kısmını eriterek patenin buz üzerinde kaymasını sağladığına inanılıyor. Ancak araştırmacılara göre durum bu kadar basit değil.

Liefferink, "Hepimizin bildiği gibi, su mutfak zemini veya yollar söz konusu olduğunda yüzeyleri epey kayganlaştırır. Hele de ayakkabınız lastikse ve hızlı hareket ediyorsanız…" diye konuştu:

“Buna karşılık buz, bir buz pateninin sert yüzeyiyle temas ettiğinde ve hatta bu paten yavaş hareket ettiğinde bile kaygandır. Bu nedenle buz yüzeyinde başka bir şeyler oluyor gibi görünüyor.”

İKİ FAKTÖRLÜ ÇÖZÜM:

Yeni çalışmada bilim insanları, minyatür bir buz pateni pisti üzerinde çeşitli tiplerde buz patenlerini denedi ve sürtünme kuvvetlerini ölçtü. Sıcaklık -100 derece gibi uç değerlere düştüğünde kaymaya karşı direncin arttığı ve patenlerin hareketini imkansız hale getirdiği görüldü.

Araştırmacılara göre, buzun en üst katmandaki hareketlilik moleküllerin titreşimlerinden kaynaklanıyor. Sıcaklık düştüğünde bu titreşimler azalıyor, arttığında ise buzu kayganlaştıracak kadar artıyor.

Ancak sıcaklık faktörü tek başına yeterli değil. Çalışmada patenin buz yüzeyindeki bölgesel temas basıncını artırmanın da buzun kayganlığını giderebileceği keşfedildi. Yani patenin şekliyle buz ve paten yüzeyindeki pürüzlerin varlığı da kayganlık seviyesini etkiliyor.

Yüzeydeki pürüz ve düzensizlikler ne kadar keskin olursa temas basıncı da o kadar artıyor. Bu da kayganlığa karşı direncin artmasına neden oluyor. Söz konusu bulgu aslında pratikte sıklıkla başvurulan bir yöntemi açıklıyor: Cilalı bir buz pateni daha iyi performans gösteriyor.

Sıcaklık ve basıncın bu yakın ilişkisiyse araştırmacıların aklına üçüncü bir faktörü getiriyor: Patencinin hızı. Liefferink bunu şöyle açıklıyor:

“Hem buz yüzeyinin yağlanma kabiliyeti hem de aşınma kayma hızına bağlı olduğundan, kaymaya karşı nihai direnç, sıcaklık, basınç ve hızın güç birliğiyle belirleniyor.”