Fizik Hypatia Arşivi Kimya

Buz neden kaygandır?

Buz üzerinde kaymanın en ideal derecesi -7 derecedir biliyor muydunuz? Peki Buz neden kaygandır ?

sürat pateni

Ondan dolayı sürat pateni yarışları bu sıcaklıkta yapılır.

0 ve -7 derece arası buz ise buz pateni için elverişli bir kayma aralığı değildir. Buz pateni buza batar ve yumuşaklaştırır buda kaymayı etkiler. Hatta – 100 derecelere varmaya başlayınca da buz yine çok fazla yüzey sürtünme oluşturduğundan kaymak zorlaşmaktadır.

İyi de bu değerler neden diğer maddelerde böyle değilken suyun buz olması durumunda bir kayganlık oluşturmaktadır? Hadi bakalım…

Buz neden kaygandır - buz kayması

Öncelikle su ilginç bir yapıya sahip. Diğer sıvılar katı hale geçtiğinde, moleküllerinin hareketi yavaşladığından bir büzülme yaşarlar yani sıvısından biraz daha küçük bir hacme bürünürler.

Ama su bu konuda istisnadır. Su donduğunda kendi hacminden daha büyük bir hacme bürünür. Bu da aslında iç dinamikleriyle alakalı bir durum. Bu bizim yaşamımız için son derece önemlidir.

suyun buz olması

Su molekülleri sıvı haldeyken rastgele form alırken buz halindeyken kristal kafesler oluşturarak hizaya girerler. Su moleküllerini bir arada tutan hidrojen bağları bu kristal kafeslerin oluşmasını sağlar. Bu formu alırken moleküller sıvı hale göre daha çok hacim kaplar, bu yüzden aynı miktardaki buzun hacmi sıvı halinden daha fazla olur. Buz halindeki moleküllerin en bilindik formu altıgen (Hegzagonal ) yapıda olanıdır. Moleküllerin altıgen şeklini aldığı buz formu nispeten daha yayılmış bir yapıya sahiptir; hacmi daha fazla, yoğunluğu daha küçüktür.

Sıvısının içinde yüzebilen ender maddelerden biridir buz.

Eğer bu olmasaydı sıvısının yüzeyine çıkmasaydı göllerin denizlerin donmasıyla buz yüzeyde kalmasaydı deniz canlılığının sonu olurdu…

Buz neden kaygandır - buz su üzerinde yüzer

Bunun oluşmasının nedenini az çok anlamışsınızdır. Su donduğunda buz hale geçtiğinde sudan daha fazla bir hacme sahip oluyor. Fazla hacme sahip olduğunu aslında yaşamımızda sürekli gözlemliyoruz. Mesela ağzına kadar su doldurup bir cam şişeyi buzluğa yerleştirirsek bir süre sonra camın çatladığını hatta patladığını görmüşsünüzdür.

Hacmin büyümesi yoğunluğunun azalmasına neden oluyor işte. Yoğunluk eşittir kütle bölü hacim. Hacim arttıkça kütle sabit olduğundan yoğunluk azalacaktır. Ve daha yoğun olan suyun yüzeyine çıkacaktır buz…

özkütle

Biraz su ile ilgili ufak detaylar verdikten sonra gelelim buz üzerinde kayma mevzusuna…

Evgeni Plushenko’yu hatırlayanlarınız vardır belki. Eskiden trt’de buz pateni saatleri olur hepimiz ekranlara kitlenirdik. Artislik patinajda hepimiz birilerini tutar onlarla şenlenirdik.

O zamanlar çocuktum ama ilgimi çekerdi, neden her şeyde kayamıyoruz da buzda kayabiliyoruz?

Evgeni Plushenko

Bu  1886’da John Joly isimli İrlandalı bir fizikçi tarafından şu şekilde düşünülmüş, ki eminiz şu anda hepiniz aynısını düşünüyorsunuz. Buz pateniyle birlikte bizim ağırlığımız sayesinde basınç oluşuyor ve buz yüzeyinin erimesine neden oluyor ufaktan bir su katmanı oluşuyor ve bu kaymamıza neden oluyor.

Hepimiz en basit olarak böyle düşündük değil mi? Tamam ama ağırlığımız ile en fazla birkaç derece buz yüzeyini arttırabildik bu buz yüzeyinin erimesine neden olabilir mi? -40. derecede bile kayacağımızı düşünürsek pek mantıklı gelmiyor değil mi?

Zaten buz pateninin basıncı ince bıçaklardan oluştuğu için evet fazladır da ama ayakkabı ile bile daha az basınçla buzun üzerinde kayıp düşebiliyoruz. Bu şıkkı eleyebiliriz o yüzden.

buz pateni

Diğer bir fikir de şu olabilir. Buz pateni ile buzun üzerinde kayarken sürtünme sayesinde ısınma oluşur ve bu ısı buzun üst katmanının erimesine neden olur ve sıvılaşması ile kayganlık oluşabilir. Evet bu gayet mantıklı geliyor kulağa…

Hadi diyelim hareketliyken tamam sürtünme bir erimeye yol açıyor olabilir. Ama hareketsiz buzun üzerinde durmaya çalıştığımızda da net ayakta durmakta zorlanıyoruz, kaymamak ve tepe taklak olmamak elde değil. Yani buzun üzerinde sabit durduğumuzda bile buz kaygandır. O zaman maalesef bunu da elemek zorunda kaldık…

Ve ortaya yeni bir fikir atmamız gerekiyor. Bunu da Michael Faraday 1850’lerde düşünmüş.

İki buz tabakasını alıp birleştirmiş ve şunu görmüş; bir süre sonra iki buz tabakası birbirine yapışıyor. Havayla temas etmedikleri kısımlar hemen donuyor. Burada bir enteresanlık var.  Demek yine yoğunluk gibi buzun iç dinamiklerinde olduğu durumlara benzer bir durum var burada.

yapışık buz

Buzun iç dinamikleri bunu yapıyor. Buzun içindeki su molekülerine oranla buzun yüzeyindeki su molekülleri demek ki daha hareketli bir yapıya sahipler. Buzun içindeki moleküller etrafı moleküllerle kaplı olduğundan onlarla bir bağ içindeler.

Ama buzun yüzeyinde bulunan moleküllerin bağları daha az olmakta. Yani hidrojen bağları buzun iç katmanlarında daha sıkıyken yüzeydekiler daha az bağlılar ve hareketliler.  Bu yüzden kayganlık hissi oluşmaktadır. Yani buzun yüzeyi yarı sıvı bir katmandan meydana gelmektedir.

Toparlayacak olursak buz, ne basınçtan kaynaklı ne de tam bir sürtünmeden kaynaklı kaygandır. Su moleküllerinin yüzeydeki gevşek yapısından kaynaklı bir kayganlık söz konusudur.