Buzun Yüzeyi Neden Kaygandır?
Fotoğraf : Deneylerde kullanılan bir çelik küre, hareketli su moleküllerinden oluşan ve sadece altında duran buz tabakası ile gevşek bağlı olan bir buz yüzeyi üzerinde kayıyor. Nagata/MPI-P
Bilindiği üzere kar veya buzun üzerinde kaymak başka yüzeylerin üzerinde kaymaktan daha kolaydır. Ama neden buzun yüzeyi kaygandır? Bu soru bir yüzyıldan fazladır bilim adamlarını meşgul etmekte ve hala günümüzde de güncel olarak araştırılmakta. AMOLF, Amsterdam Üniversitesi ve Mainz‘ta polimer araştırması üzerine olan Max Planck Enstitüsü‘ndeki (MPI-P) bilim adamları, buzun kayganlığının, en üstteki su moleküllerinin buzun yüzeyinde ne kadar kolay yuvarlanabildiğine bağlı olduğunu gösterdiler.
Kayak yapmak, buz pateni yarışı, artistik patinaj, buz hokeyi gibi kış sporu türleri buz ve karın kaygan yüzeylerini gerektirir. Buz yüzeyinin kaygan olduğu olgusu bilinmesine rağmen nedeni daha tam anlaşılamamıştır. İlk kez 1886 yılında İrlandalı fizikçi John Joly buzun az sürtünme kuvvetinin azlığını bilimsel olarak açıklamıştı: Buz yüzeyine temas eden bir objede, örneğin buz pateninde buz pateninin metal ayağının yaptığı basınç o kadar büyük oluyor ki buza temas ettiği noktada buz eriyor ve ıslak bir su tabakası meydana getiriyor. Bu da kayganlığa neden oluyor. Ama güncel araştırma durumuna göre en üstteki buz tabakası basınç sonucu değil de kaymanın etkisiyle oluşan sürtünme kuvveti sonucu ortaya çıkan ısı nedeniyle eriyor.
Amsterdam Üniversitesi‘nden Prof. Daniel Bonn ve MPI-P‘den Prof. Mischa Bonn kardeşlerin yönettiği araştırma ekibi, buzdaki sürtünme kuvvetinin şu ana kadar tahmin edildiğinden daha kompleks olduğunu kanıtladılar. Bilim adamları 0 ile -100 derece arasındaki sıcaklıklardaki makroskopik sürtünme deneylerinde kış sporları için tipik sıcaklıktaki aşırı kaygan yüzeylerin, yüksek sürtünme koşullarında -100 derecede bir yüzeye dönüştüğünü kanıtladılar.
Bu sıcaklığa bağlı kayganlık özelliğinin kökenini incelemek için bilim adamları yüzeydeki su moleküllerinin hallerini spektroskopik ölçümlerle ölçtüler ve değerleri teorik hesaplamalarla (molekül dinamiği simülasyonları) karşılaştırdılar. Deney ve teorinin kombinasyonu buz yüzeyinde iki tip su molekülünün var olduğunu gösterdi: Altta yatan buza bağlı su molekülleri (3 hidrojen bağıyla bağlı) ve hareketli ve sadece 2 hidrojen bağıyla bağlanmış su molekülleri. Bu hareketli su molekülleri küçük küreler şeklinde buz yüzeyinin üzerinde yuvarlanıyolarlar. Bunlar hareketliliklerini termik salınımlara borçlular.
Sıcaklık arttığında bu iki tip yüzey molekülü birbirine dönüşüyor: Hareketli su moleküllerinin sayısı artan sıcaklıkla beraber artarken sabit olanlarınki azalıyor. Dikkate değer bir şekilde hareketlilikle sıcaklığın ilişkisi, ölçülen sürtünme kuvvetiyle muhteşem bir uyum içinde: Su moleküllerinin yüzeydeki hareketliliği arttıkça, sürtünme de o kadar azalıyor veya tam tersi. Bilim adamları bunun üzerine buzdaki kayganlığın yüzeydeki hareketli su moleküllerinden kaynaklandığı ve buzun üzerindeki ince, ıslak bir su tabakasından dolayı kaynaklanmadığı sonucuna vardılar.
Yüzey hareketliliği 0 dereceye kadar artsa da 0 derece buzun üzerinde kaymak için ideal sıcaklık değil. Deneyler -7 derecede sürtünmenin en düşük seviyede olduğunu kanıtladılar. Tam olarak aynı sıcaklık buz pateni pistlerinin hazırlığında kullanılmaktadır. Bilim adamları -7 ile 0 derece arasında kaymanın buz yumuşadığı ve kayma objesi daha derin bir şekilde buzun içine daldığı için zorlaştığını da kanıtladılar.
Kaynak : chemie.de
