Neden Böyle?


I. Bölüm

Neden Böyle?



Donma, Genleşme ve Ardından Sürtünme

    Strathclyde Üniversitesi'nin Andersonların yeri olarak adlandırıldığı günlerde, profesörlerinin birçoğu Thomson soyadı taşıdığından, Glasgow Üniversitesi'ne de bazen şaka yollu Thomsonların yeri deniyordu. 1848-9 öğretim döneminde, William Thomson (geleceğin Lord Kelvin'i) ve babası da dahil olmak üzere beş Thomson vardı.
    William'ın kardeşi James o günlerde henüz mühendislik profesörü olmamıştı, ancak üniversitedeki özel araştırmalarını sürdürüyordu. Kış aylarında, ısı ile ilgili bazı kuramlar geliştirdi ve basıncın artmasının suyun donma noktasını düşüreceği sonucuna vardı. Donma noktasını l "C değiştirmek için, bir santimetrekareye yaklaşık 200 kilogramlık bir kuvvet uygulamak gerektiğinden, söz konusu etki çok belirgin değildi. Ancak o zamanlar Doğa Felsefesi Profesörü olan William, bu hesapların doğru olup olmadığını anlamak için bazı deneyler yaptı.
    Sağlam bir cam kap, buz ve su karışımı ile dolduruldu ve içine bir termometre yerleştirildi. Karışımda hem buz hem de su var olduğu sürece, termometrenin gösterdiği sıcaklık donma noktasına eşit olacaktı. Düzeneğin üst kısmında ver alan bir piston, biraz gözüpek bir biçimde aşağıya doğru itilerek kabın içindeki basınç, artırılıyordu. Bereket cam kap parçalanmadı, ancak termometrenin göstergesi belirgin bir biçimde düştü. Aşırı basınç, serbest bırakıldığında da, termometreden okunan sıcaklık ilk değerine geri döndü.
    Basınç uygulandığında donma noktasının düşmesi, suyun pek çok tuhaf özelliğinden biridir ve donma sırasında meydana gelen genleşme ile ilgilidir. Bu genleşme nedeniyle buz sudan daha az yoğundur. Yine bu yüzden, buzdağları uslu uslu dibe batmaz, yüzerler, öte yandan, buzun suyun üzerinde yüzmesi yalnızca curling oyuncuları ve buz patencileri için değil, göllerin dipten yukarı doğru donması halinde kışın yaşama şansları olmayan balıklar için de çok elverişlidir.
    Kış sporlarının hepsi karın ve buzun kayganlık özelliğinden yararlanır. Bu özellik ancak yakın bir geçmişte tam olarak açıklanabildi. Yüzyılın başlarında, buz patenlerinin rahat bir biçimde hareket etmesinin nedeninin, demir çubukların basıncının buzun erime noktasını düşürmesi ve bu nedenle de buzun üst kısmının erimesine yol açması olduğu ileri sürülmüştü. Böylece yüzeyde ince bir su tabakası oluşuyor ve tabii ki bu tabaka paten geçtikten sonra tekrar donuyordu.
    Akla yakın görünen bu açıklama yarım yüzyıl boyunca ders kitaplarında yer aldı, oysa tamamen yanlıştı. Basit hesaplamalar, ağır bir buz patencisinin bile erime noktasını bir derecenin onda birinden daha fazla değiştirmediğini gösteriyor. Bununla birlikte, hava (ve buz) sıcaklığı sıfırın çok altındayken, buz pateninin oldukça kolay yapıldığını hemen herkes bilir.
    Yaklaşık 40 yıl önce, Cambridge'li fizikçi Dr. F. P. Bowden (C. P. Snow'un romanlarında Francis Getliffe olarak geçer), kayak yapmaya gittiği Alplerde, yoğun kar yağışı nedeniyle birkaç gün boyunca bir dağ kulübesinde mahsur kalmış, bu sırada düşünmek için de bol zamanı olmuştu. Onu dağ kulübesine getiren kayaklar, -20"Cde çok rahat kaymışlardı, oysa bir fil bile bu sıcaklıktaki buzu eritecek kadar basınç yaratamazdı.

...kar yağışı nedeniyle mahsur kaldığı bir dağ kulübesinde düşünmek için hol zamanı olmuştu.
    Bowden, ders kitaplarının yanlış olduğu ve kayakların kar üzerindeki rahat hareketinin, sürtünmeden kaynaklanan ısının oluşturduğu ince bir su tabakası ile ilgili olması gerektiği sonucuna vardı. Bundan sonra, iş ile tatili birleştirdi ve bir dizi yaratıcı deney yaparak Alplerde uzun süre kaldı.
    Bu çalışma, bilim ve endüstride ilgi çekici uygulamalara öncülük eden sürtünme ve yağlama konuları (günümüzde bu konular triboloji adı verilen bir bilim dalınca inceleniyor) üzerine geniş bir araştırma yapılmasına neden oldu.
    Kayakların kaymasının nedeni gerçekten altlarındaki ince su tabakası ise, karın kolayca erimediği çok düşük sıcaklıklarda, sürtünmenin artması gerekir. Bowden'ın deneyleri gerçekten de böyle olduğunu ve çok soğuk karın (yaklaşık -60"C) üzerindeki sürtünmenin kuru kum üzerindeki sürtünmeye neredeyse eşit olduğunu gösterdi. Bu, kutup kâşiflerinin hiç de yabancısı olduğu bir şey değildi, belki de Kaptan Scott ve arkadaşları güney kutbundan dönerken yaşamlarını bu nedenle yitirmişlerdi.
    Bowden daha sonra, sürtünmeyi azaltmak için kullanılan kayak mumu ve diğer maddelerle ilgili araştırma yapmaya başladı. PTFF (politetralluoretilen, oldukça dayanıklı, beyaz bir plastik madde) 'nin mumdan bile daha iyi olması gerektiği sonucuna vardı. Bu yargı, bazen ağırlıklar kullanılarak, bazen de hız. tutkunu insanlarla yapılan hız ölçüm deneyleri ile doğrulandı.
    Sonuçlar oldukça ikna ediciydi. Yaklaşık 64 kg ağırlığındaki bir kayakçı, aşağı yukarı 210 metre uzunluğundaki fazla dik olmayan bir yamaçtan, geleneksel biçimde mumlanmış kayaklarla 83 saniyede inerken, PTFE ile kaplanmış kayaklarla bu yolculuk yalnızca 54 saniye sürüyordu. Bowden'ın bu buluşu o zamandan buyana kayakçılar arasında çok yaygınlaştı. Yüksek hızla iniş gibi bazı özel yarışlarda, usta kayakçılar geleneksel mumlama yöntemini tercih edebilir, ancak çoğu amatör kayakçı için PTFK sevindirici bir gelişmedir. Bunun yanı sıra, ders kitaplarının yanlış olabileceğini söyleyen yeni ve farklı görüşlere kayıtsız kalınamayacağım ve fiziğin eğlenceli olduğunu da göstermiştir.