Buz Neden Kaygandır?

Herkesçe bilindiği üzere buz yüzeyi kaygandır... Peki neden öyle olduğunu biliyor muyuz? 

Buna verilecek bir cevabı 1886'da John Joly isimli İrlandalı bir fizikçi vermiştir. Joly, buz yüzeyindeki kayganlık olgusunu (sürtünmenin az oluşunu) şöyle açıklamıştır: Buz pateni gibi bir nesne buz yüzeyiyle temas ettiğinde (patencinin ağırlığıyla birlikte) değdiği yerde basınç yaratır. Bu basınç o kadar yüksek olur ki oradaki buz, sıvı bir tabaka oluşturarak buz üstünde kaymayı kolaylaştırır.

Buraya kadar her şey iyi güzel, öyle değil mi? Şimdi bir de şunu duyun: Çok soğuk derecelerde de (-30°C gibi) buz üstünde pekala kayılabilir. Peki patencinin ağırlığı bu derecelerdeki buzu eritmeye yetmezken (ve buz üstünde sıvı su oluşturamazken) nasıl oluyor da kaymak hala mümkün olabiliyor?

Belli ki kayganlığın sebebi sadece basınç ile alakalı değil... Evet, buz yüzeyindeki sıvı su, buz üstündeki sürtünmeyi azaltmasına azaltır ama -30°C gibi çok soğuk derecelerde bu erime, basınç sebebiyle değildir. O halde erimenin nedeni kayma esnasında sürtünmeden kaynaklı ısı olabilir mi? "Evet" diyorsanız, büyük bir ihtimalle buz üstünde hareketli olduğunuz için diyorsunuz ve haklısınız da... Erimenin nedeni, kısmen, sürtünme olabilir. Ama bir de sorunun cevabını buz üstünde kımıldamadan durarak vermeye çalışın... Hareketsiz kalamıyor, sağa sola kayıyorsunuz değil mi? Oysaki sabit durmaya çalıştığınız esnada hareket yok, ve dolayısıyla sürtünme de yok! Demek ki kayganlığın sebebi tam olarak sürtünme de değil!

Şimdi, buza biraz daha yakından bakalım ve suyu oluşturan moleküllerden bahsedelim. Buz yüzeyindeki su molekülleri, yüzeyin altında kalan su moleküllerine göre daha oynaktır (hareketlidir) çünkü onları yerlerine sabitleyecek daha üst bir katman yoktur. Diğer bir ifadeyle, buz yüzeyinde iki tür su molekülü vardır: Sıvı suyun altında yer alan buz katmanına üç hidrojen bağıyla tutunan su molekülleri ve sadece iki hidrojen bağıyla tutunan hareketli su molekülleri. İşte bu hareketli su molekülleri, buz üzerinde tıpkı küçük tekerlekler gibi sürekli hareket etmekte ve enerjisini de ısıl titreşimlerden almaktadır. Yani buz yüzeyinde ince bir sıvı su katmanının varlığından ziyade, yüzeydeki su moleküllerinin hareketliliği buzun kaygan oluşundan sorumludur diyebiliriz. 

Yakın bir zaman önce, biri Amsterdam Üniversitesinde diğeri MPI-P'de profesör olan Daniel Bonn ve Mischa Bonn adlı iki fizikçi kardeşin önderliğini yaptığı bir araştırmada, ısıya bağlı kayganlığın sebebini moleküler düzeyde incelenmiştir. Ekibin yaptığı deneyler, artan ısıyla beraber yüzeydeki hareketliliğin de arttığını fakat diğer yandan sürtünmenin azaldığını ortaya koymuştur. Buna göre, yüzey hareketliliği 0°C'ye kadar artmaya devam etse de bu sıcaklık buz üstünde kaymak için elverişli değildir. -7°C, sürtünme en az olduğu için buz üzerinde kaymanın en elverişli olduğu sıcaklık olarak ölçülmüştür (tam da sürat pateni yarışlarında uygulanan ideal sıcaklık!). -100 °C'de ise yüzey sürtünmesi oldukça fazla olduğundan buz üzerinde kaymak bir hayli zordur. Araştırmacılar, -7 °C ve 0 °C arasındaki sıcaklıklarda buzun daha yumuşak hale gelerek patenin (veya diğer bir aracın) yüzeye daha fazla saplanmasına neden olduğunu ve bu yüzden bu sıcaklıklarda kaymanın daha zor olduğunu söylüyorlar. 

Buzda Kayıp Düşmemek İçin Penguenlerden Ders Alın!

Sea Glass