.
Kim kazara buzda veya karda kaymamıştır? Kaygan özellikleri bize tamamen tanıdık, ancak buzun kaygan niteliğine ilişkin açıklama, neredeyse iki asırlık bir bilimsel tartışmayı ateşledi. Şimdi, sorunu moleküler simülasyon kullanarak modelleyerek, cevaba daha da yaklaşabildik.
Olguyu deşifre etmenin önemi
İnsanlar çok eski zamanlardan beri buzun veya karın kayma özelliklerini kullandılar. Bazen bir eğlence biçimi olarak ve diğer zamanlarda bir ulaşım aracı olarak. Antik Çin’de, 15. yüzyılda Ming hanedanlığı döneminde, yüzlerce kilo mermer levhayı yakındaki dağlardan Pekin’deki Yasak Şehir’e taşımak için bir buz yolu oluşturdular.
Günümüzün buz taşımacılığı daha sıradan ve mütevazı amaçlara hizmet ediyor, ancak ister Olimpiyatlarda sporcuların performansını artırmak ister kış aylarında arabaların güvenliğini sağlamak olsun, bu tanıdık özelliğin kökenini anlamak önemini koruyor.
Tartışma Victoria İngiltere’sinde başladı
Neredeyse iki yüzyıldır bilim adamları, Victoria döneminin ortalarında Büyük Britanya’da başlayan tutkulu bir tarihsel tartışmada, buzun neden bu kadar kaygan olduğunu, hemfikir olmadan tartışıyorlar.
O zamanlar, Britanya Adaları’ndaki son buzul 10.000 yıldan fazla bir süre önce erimişti ve zamanın büyük bilim adamları, onun dağlardan aşağı kaymasının nedenlerini anlamak için yola çıktılar. Diğer ilgi alanlarının yanı sıra, bu, kış tatil yerlerinin yakın zamanda yaratılan turizm endüstrisini başlatmak için iyi bir fırsattı.
Bu nedenle, aralarında Huxley, Henslow, Tyndall ve Hooker’ın da bulunduğu jeolog, biyolog, fizikçi ve botanikçilerden oluşan bir ekip araştırma yapmak için seyahat etti. sitede 1856 yılında İsviçre’deki Grindenwald buzulundaki buzun davranışı. Bu keşif gezisinde buzun kolayca erimesi ve yeniden donması özelliği olan ve buz sürtünmesi üzerine ilk araştırmaların kaynağı olan rejelasyon terimini icat ettiler. .
Yağlayıcı su tabakası
Bu çalışmalardan, buzun yüzeyinde kayganlaştırıcı görevi gören bir erimiş su tabakası olduğunu varsayan, en çok kabul gören hipotez ortaya çıktı. Ancak bu su tabakası erime sıcaklığının altında nasıl oluşuyor? Elektromanyetizma üzerine yaptığı çalışmalarla ünlü Michael Faraday, 18. yüzyılın ortalarında buzun yüzeyinde, hatta erime noktasının altında bile kendiliğinden eridiğini öne sürdü. Ancak bu hipotez, termodinamiğin yeni formüle edilmiş ilkeleriyle çelişiyor gibi göründü ve pek iyi karşılanmadı.
Aynı sıralarda, Lord Kelvin’in ağabeyi James Thomson, buzun en sıra dışı özelliklerinden birini keşfetti: basınç altında erime yeteneği, artan sıcaklıkla kristalleşen çoğu maddenin tam tersi, basınç.
Bu konsepti kullanarak, hidrodinamiğin babaları John Joly ve Osborne Reynolds, bir patenin buz üzerinde uyguladığı basıncın patenin erimesine ve kolayca kaymasına neden olacağını öne sürdüler.
Yaklaşık bir asır sonra, 1950’de, modern triboloji biliminin veya sürtünme biliminin kurucularından biri olan Philip Bowden, erimenin artan basınçtan değil, daha çok paten kayarken üretilen ısıdan kaynaklandığını öne sürdü. buzda.
Buz atomlarının gözlemlenmesi
Gerçek şu ki, gelişmiş mikroskopi veya x-ışını kırınımı gibi malzemelerin yüzeylerini gözlemlemek için modern teknikler, genellikle bir patenin buz üzerinde kaydığı olağan koşullardan çok uzak, kontrollü laboratuvar koşulları altında gerçekleştirilir.
Madrid Özerk Üniversitesi ve Polonya’daki Maria Curie-Skłodowska Üniversitesi Lublin’deki meslektaşlarımızla işbirliği içinde Madrid Complutense Üniversitesi’ndeki araştırmamızda karmaşık laboratuvar deneylerini değiştirmek için atomların hareketini şu şekilde simüle ettik: buz yüzeyinde bir katı kayar. Bu, bir filmdeki gibi sistemdeki moleküllerin her birinin bireysel hareketini ‘görmemizi’ ve kaç tanesinin eridiğini saymamızı sağlar.
Yazar sağladı
Sonuçlarımız, yayınlanan Ulusal Bilimler Akademisi Bildiriler Kitabı, Michael Faraday’ın büyük ölçüde haklı olduğunu gösteriyor. Katı, mükemmel bir buz kristali ile temasa getirilir getirilmez, yüzeyine en yakın moleküllerin hemen eridiği gözlemlenir, bu da buzun kendiliğinden bir yağlama tabakası oluşturduğunu gösterir. Ancak Thomson ve Reynolds da haklıydı. Gerçekten de, katıyı buza karşı sıkıştırdığımızda, sıvı su tabakasının, basınç arttıkça kalınlığının sürekli arttığını gözlemleriz.
Ve dahası da var: katıyı buz üzerinde kayması için koyduğumuzda, ilk sürtünme büyükse, üretilen ısının yüzeyi biraz daha eriterek sıvı katmanın kalınlığını artırdığını ve kayganlığını iyileştirdiğini görüyoruz. , tıpkı Bowden’ın önerdiği gibi.
Sonuç, bilimsel ilerleme hakkında güzel bir hikaye. Bazen bilimdeki ilerlemeleri tarif ederken spor haberlerinde olduğu gibi yaparız ve sadece kaleye şutun yazarına odaklanırız, ancak gerçekte ilerlemeler her zaman, katkıları sıklıkla gölgede bırakılan bütün bir bilim topluluğunun sürekli çabasının sonucudur. en iyi bilinen yazarların itibarı.
Hepsi kısmen haklıydı
Bu şekilde, buzun kaygan doğasının ana anahtarlarının Faraday tarafından önerilen yüzeysel erime olgusu olduğunu bulduk; Thomson’ın hipotezini anımsatan basınç nedeniyle erime ve Bowden tarafından önerilen sürtünme nedeniyle erime. Ancak, Thomson ve Bowden hipotezlerinin aksine, bu fenomenlerin tümü, yalnızca buz yüzeyini etkileyen erime süreçleridir ve bu nedenle erime sıcaklığının altında bile gerçekleşebilir.
Bu faktörlerin kombinasyonu, buz yüzeyine, kayma hızı arttıkça yağlama gücü geri beslenen, kendi kendini yağlayan ve kendi kendini onaran bir su tabakası verir.
Son zamanlarda, bazı uzmanlar, bir su tabakasının buz için kayganlaştırıcı olarak oynayabileceği rolü sorguladılar. Aslında, su kötü bir yağlayıcıdır. Çok akışkan olduğundan, onu iki eklem arasına koyduğumuzda, yüksek basınç onu dışarı atar ve eklemler doğrudan temas ederek çok fazla sürtünme oluşturur. Bu nedenle en yaygın kullanılan yağlayıcılar genellikle yağ gibi viskoz ve hafif akışkan sıvılardır. Buz durumunda, işler çok farklı. Tanınmış Le Chatelier ilkesinin bir örneği olarak, basıncın suyu dışarı atmasıyla aynı zamanda yüzeydeki buz erir ve kaybı onarır.
Uzun süredir tartışılan üç ana hipotez gerçekten de karşılıklı olarak uyumludur ve buza onu istisnai kılan kaygan niteliği vermek için aynı anda çalışırlar.
.
