Buz pateni pistinde zarifçe süzülmemize veya kışın bir kaldırımda sakarca kayıp düşmemize neden olan yüzeydeki o ince su katmanı, yüzlerce yıldır bilim dünyasının en ilgi çekici bilmecelerinden birini oluşturuyor. Bilim insanları genel olarak bu kayganlaştırıcı, sıvı benzeri tabakanın varlığı konusunda hemfikir olsa da, bu tabakanın neden ve hangi koşullarda oluştuğu konusundaki fikir ayrılıkları devam ediyor. Basit gibi görünen bu soruya yanıt arayışı, 19. yüzyıldan bu yana dört ana hipotez etrafında şekilleniyor ve son yıllardaki simülasyonlar bu karmaşık soruna yeni bir ışık tutuyor.
Hipotez 1: Basınç Erimesi – Klasik Bir Yanılgı
Buzun neden kaygan olduğu sorusuna dair ilk bilimsel açıklamalardan biri, 1800’lerin ortalarında İngiliz mühendis James Thomson tarafından ortaya atıldı. Bu hipoteze göre, buzun üzerine bastığımızda uyguladığımız basınç, buzun yüzeyindeki erime noktasını düşürür (Thomson, 1849). Normalde su, 0°C’de erirken, yüksek basınç altında daha düşük bir sıcaklıkta dahi eriyebilir ve böylece yüzeyde ince bir su tabakası oluşur. Thomson’ın kardeşi Lord Kelvin bu teorik ilişkiyi deneysel olarak da doğruladı.
Ancak, 1930’larda yapılan hesaplamalar bu klasik teorinin yetersizliğini gözler önüne serdi. Cambridge Üniversitesi’nden Frank P. Bowden ve T.P. Hughes, ortalama bir kayakçının uyguladığı basıncın, buzun erime noktasını kayda değer ölçüde değiştirmek için çok düşük olduğunu hesapladı (Bowden & Hughes, 1939). Bir kayakçının bu etkiyi yaratabilmesi için binlerce kilogram ağırlığında olması gerekirdi. Bu bulgu, basınç erimesi teorisinin tek başına kayganlığı açıklamada yetersiz kaldığını gösterdi.
Hipotez 2: Sürtünme Isınması – Kayan Cismin Etkisi
Basınç teorisine şüpheyle yaklaşan Bowden ve Hughes, alternatif bir açıklama olarak sürtünme ısınmasını öne sürdüler (Bowden & Hughes, 1939). Bu hipotez, buzun üzerinde kayan herhangi bir cismin (patenin, kayağın veya ayakkabının) yarattığı sürtünme sonucu oluşan ısının, buzun yüzeyini eriterek kayganlaştırıcı su tabakasını oluşturduğunu savunur. Hatta, yaptıkları deneylerde pirinç gibi iyi ısı ileten malzemelerin, ebonit gibi kötü iletkenlere göre daha az sürtünme yarattığını ve bu durumun teoriyi desteklediğini iddia ettiler.
Fakat bu açıklama da eksiklikler barındırır. Amsterdam Üniversitesi’nden fizikçi Daniel Bonn’un belirttiği gibi, sürtünme ısınması ancak hareket ettikten sonra gerçekleşir (Bonn et al., 2021). Oysa buz, üzerine ilk adım attığımız anda, yani henüz sürtünmeden kaynaklı bir ısı oluşmadan önce bile kaygan olabilir. Bonn ve ekibinin mikroskobik buz pateni pistinde yaptığı deneyler, kayganlığın hızla (dolayısıyla sürtünme ısısıyla) doğru orantılı olmadığını göstererek bu hipoteze önemli bir eleştiri getirdi.
Hipotez 3: Ön Erime (Premelting) – Buzun Doğal Hali
Buzun yüzeyinin, herhangi bir dış etki (basınç veya sürtünme) olmaksızın, doğal olarak ıslak olabileceği fikri Michael Faraday’a kadar uzanır (Faraday, 1842). Faraday, birbirine değen iki buz küpünün donup yapışmasını, buzun açıkta kalan yüzeyinde bulunan, ince bir ön erimiş tabakaya bağlamıştı. Yüzyıllık bir aradan sonra, Charles Gurney ve Woldemar Weyl gibi bilim insanları, bu “yüzey ön erimesinin” nedenini moleküler düzeyde açıklamayı denedi.
Buz, her su molekülünün periyodik bir kafese kilitlendiği kristal bir yapıya sahiptir. Ancak yüzeydeki su moleküllerinin daha az komşuya sahip olması, onların daha fazla hareket özgürlüğüne sahip olmasına yol açar (Weyl, 1951). Bu serbest moleküller, buzun erime noktasına yakın sıcaklıklarda sıvı benzeri bir tabaka oluşturur ve bir paten veya ayakkabı tarafından kolayca yerinden edilebilir. Bugün bilim insanları bu ön erimiş katmanın varlığını kabul etse de, kayganlıktaki rolü halen tartışmalıdır.
Hipotez 4: Amorfizasyon – Yeni Mekanik Açıklama
Yukarıdaki üç yaygın hipoteze karşı argümanlar sunan Saarland Üniversitesi’nden bir araştırma ekibi, özellikle çok düşük sıcaklıklarda kayganlığı açıklayacak dördüncü bir hipotez ortaya attı. Malzeme bilimcisi Achraf Atila ve meslektaşları, basıncın ve sürtünme ısısının yetersizliğini ve düşük sıcaklıklarda ön erime tabakasının enerjisizliğini vurgulayarak, kayganlığın ana nedeninin yüzey erimesi olmayabileceğini savundular.
Bu yeni yaklaşıma göre, kayganlık, yüzey moleküllerinin mekanik olarak yerinden edilmesi sonucu gerçekleşen bir amorflaşma (yapısal bozulma) sürecinden kaynaklanır. Bilgisayar simülasyonları, buz yüzeyleri birbirine sürtündüğünde, kristal yapının mekanik olarak tahrip edildiğini ve bunun sonucunda düzensiz, sıvı benzeri bir “amorf katman” oluştuğunu gösterdi. Bu katman, katıdan ziyade sıvı gibi davranır ve kayganlığın temelini oluşturur. Bu durum, özellikle buzun erime noktasına uzak, yani soğuk olduğu durumlarda kayganlığın devam etmesini açıklayabilir.
Simülasyonlar ve Ortak Bir Zemin Arayışı
Madrid Complutense Üniversitesi’nden Luis MacDowell ve ekibi tarafından gerçekleştirilen kapsamlı bilgisayar simülasyonları, buzun kayganlığının karmaşık doğasını ortaya koydu. Simülasyonlar, buzun yüzeyinin ön erime teorisinin öngördüğü gibi ince bir sıvı tabakayla kaplı olduğunu doğruladı (MacDowell et al., 2020). Dahası, ağır bir cisim kaydığında bu tabakanın kalınlaşması, basınç teorisinin de rol oynadığını gösterdi. Ayrıca, düşük sıcaklıklarda sürtünmenin buzun erimesine yol açarak tabakayı kalınlaştırdığı görüldü.
MacDowell’ın bulgusu şuydu: “Tüm bu tartışmalı üç hipotez de, bir dereceye kadar eş zamanlı olarak işlemektedir” (MacDowell et al., 2020). Bu, buzun sıcaklık, hız ve uygulanan basınca bağlı olarak tek bir mekanizmanın değil, bu mekanizmaların bir kombinasyonunun sonucu kayganlaştığı anlamına geliyor. Son amorflaşma hipotezi ise, bu kombinasyona mekanik bir bileşen ekleyerek, özellikle düşük hızlarda ve çok soğuk koşullarda buzun yapısındaki değişimin önemini vurguluyor.
Semantik Engeller ve Bilimsel Uzlaşma
Buzun neden kaygan olduğu sorusunun çözümü, görünüşte basit olmasına rağmen, bilim insanları arasındaki ortak bir dil ve fikir birliği eksikliği nedeniyle yavaş ilerliyor. Daniel Bonn ve Achraf Atila gibi farklı araştırmacılar, sonuçları benzer olsa bile, yüzeydeki yapısal değişiklikleri farklı terimlerle tanımlayarak (mobilite vs. mekanik yer değiştirme) farklı hipotezler önerebiliyor (Bonn & Atila, 2024). Bu semantik farklılıklar, bazen gerçekten ayrı mekanizmalar mı, yoksa aynı olayın farklı yönleri mi tanımlanıyor sorusunu gündeme getiriyor.
Asırlık bu bilmeceye bir çözüm bulunmasına her geçen gün daha da yaklaşıyoruz. Son bulgular, buzun kayganlığının sıcaklık, basınç ve hız gibi çevresel koşullara bağlı olarak dinamik bir süreç olduğunu gösteriyor. Gelecekteki araştırmalar, amorflaşma ve ön erime mekanizmalarının etkileşimini daha net tanımlayarak, bu fizik bilmecesine kesin bir yanıt verebilir ve bu bilgileri kış sporları teknolojisinden, donma önleyici yol kaplamalarına kadar geniş bir alanda kullanabiliriz.
Referanslar
- Why Is Ice Slippery? A New Hypothesis Slides Into the Chat. Quanta Magazine.
- Bowden, F. P., & Hughes, T. P. (1939). The mechanism of sliding on ice and snow. Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Mathematical and Physical Sciences, 172(951), 280-298.
- Faraday, M. (1842). Observations on the Regelation of Ice. Philosophical Magazine Series 3, 21(135), 373-382.
- MacDowell, L. G., Llombart, F., & MacDowell, F. G. (2020). Computer simulations reveal that a combination of factors explains the slipperiness of ice. Physical Review X, 10(2), 021008.
- Thomson, J. (1849). The Influence of Pressure on the Melting Point of Ice. Proceedings of the Royal Society of Edinburgh, 2, 267-270.
- Weyl, W. A. (1951). Surface structure of ice and water and the resulting low friction. Journal of Colloid Science, 6(5), 389-404.
