Hepimiz neredeyse tüm gün boyunca farkına bile varmadan sürekli olarak bir dizi fiziksel olaya tanık oluyoruz. Bunlardan bir tanesi de kahvaltıda mısır gevreği yemeyi tercih ediyorsanız, sütün üstünde yüzen sadece birkaç tane gevrek tanesi kaldığında gerçekleşir.
Dikkat ederseniz bu tanecikler görselde gördüğünüz gibi, kasenin ortasında veya kenarlarında kümelenme eğilimi gösterirler. Cheerios Etkisi olarak adlandırılan bu topaklanma, sabah tıraş olduktan sonra lavaboda kalan kıllardan, bir sodayı bardağa boşalttığınız zaman oluşan kabarcıklara kadar pek çok yerde gözlemlenir.
Cheerios Etkisi gözlemlenmiş olsa da oluşumunun arka planındaki mekanizma 2005 yılına kadar anlaşılamadı. Neyse ki bu sorun bir grup matematikçinin bu garip durumu çözümlemeyi kafaya koydukları zaman ortadan kalktı. Cheerios Etkisini fizikteki temel kavramları kullanarak açıklayabiliriz. Ancak önce bir kaç kavramı anımsatalım.
Kaldırma Kuvveti ve Yüzey Gerilimi
Bir nesnenin yüzmesi veya batması, kaldırma kuvveti olarak adlandırılan fiziksel bir özelliğe bağlıdır. Söz konusu nesne, etrafını saran sıvıdan daha yoğunsa batacaktır. Ancak, daha az yoğunsa yüzecektir. Yüzey gerilimi ise sıvılarla ilgili bir diğer önemli kavramdır. Sıvıların esnek bir zar gibi davranmasını sağlar.
Yüzey gerilimi, sıvının molekülleri arasındaki zayıf kuvvetlerden kaynaklanır. Su gibi kovalent bir bileşikte iyonlar yoktur; ama oksijen hidrojenden daha fazla elektronegatiftir. Bu nedenle, su molekülü kutuplu olur. Yani oksijen atomunda küçük bir negatif yük, hidrojen atomlarında küçük bir pozitif yük bulunur. Yükler, su moleküllerini sıkıca birbirine yapıştırır.
Yüzey gerilimi, herhangi bir sıvının yüzey seviyesindeki atomları arasında artan bir bağlayıcı kuvvet ile karakterize edilmektedir. Bir sıvıyı, birbirlerine çekim kuvvetleri uygulayan moleküller topluluğu olarak düşünün. Sıvının derinliklerinde bir molekül, her yönden eşit kuvvetler hissedecektir. Ancak sıvının yüzeyine yakın bir yerde olan bir molekül için durum farklıdır. Basitçe düşünmeniz gerekir ise, üst kısmı daha boştadır. Yani yüzey ile arasında az sayıda molekül vardır. Doğal olarak ona etki eden moleküller alt taraftadır.
Hava, sıvı moleküllerini yukarı doğru çekerken, komşu su molekülleri de diğer yönlere çekmeye devam ederler. Bu eşit olmayan kuvvetler nedeniyle sıvı yüzeyinde hafif bir eğilme meydana gelir. Bir sıvının özelliklerine bağlı bu eğim aşağı doğru (içbükey) ya da dışa doğru ( dışbükey) olacaktır. Günlük yaşamımızda en yaygın sıvı olan su, içbükey bir davranış gösterir.
Cheerios Etkisi İle İlgili Yapılan Bir Çalışma
Kahvaltı gevreğimize geri dönelim. Bir kase süte tek bir tahıl gevreği koyduğunuzu düşünelim. Küçük nesneler sütün yüzey gerilimini kıracak kadar ağır değildir. Bu yüzden yüzerler ancak yine de ağırlıkları nedeniyle sütün yüzeyinde çok küçük bir çukur oluştururlar.
Kaseye yerleştirilen ikinci bir tahıl gevreği de sütün yüzeyinde kendi çukurunu oluştur. Sonrasında da iki Cheerios birbirine yeterince yaklaştığında bu çukurlar birleşir. Süreç devam ettikçe mısır gevreklerinin ortada bir araya toplanmasına ve aynı biçimde bazılarının kasenin kenarlarına yapışmasına neden olur.
Cheerios etkisini teorik olarak açıklamak mümkün olsa da yakın zamana kadar bunun modellemesi yapılamamıştı. 2019 yılında, Brown Üniversitesi araştırmacılarından oluşan bir ekip, bu tür kümelenmeye dahil olan güçleri ölçmek için bir yol geliştirdi.
Çalışmanın sonuçları, tahıl kaselerinin çok ötesine geçiyordu. Araştırmacılar, bulgularının mikro ölçekli makinelerin ve robotların tasarımında faydalı olabileceğini söylüyor. Örneğin, günümüzde çevresel koşulları izlemek için su yüzeyinde gezinebilen küçük örümcek benzeri robotlar kullanılmaktadır. Bu çalışma, bu robotların karşılaşacağı doğal güçler hakkında çalışmalara ışık tutabilir.
Kaynaklar ve ileri okumalar:
- Researchers directly measure ‘Cheerios effect’ forces for the first time. Yayınlanma tarihi: 19 Kasım 2019. Yayınlandığı yer: Phys.org Bağlantı: Researchers directly measure ‘Cheerios effect’ forces for the first time/
- Cereal Science: Why Floating Objects Stick Together. Yayınlanma tarihi: 21 Eylül 2005; Yayınlandığı yer. Livescience Bağlantı: Cereal Science: Why Floating Objects Stick Togethe/
- Vella, Dominic & Mahadevan, Lakshminarayanan. (2005). The “Cheerios effect”. American Journal of Physics. 73. 817-825. 10.1119/1.1898523.
Size Bir Mesajımız Var!
Matematiksel, 2015 yılından beri yayında olan ve Türkiye’de matematiğe karşı duyulan önyargıyı azaltmak ve ilgiyi arttırmak amacıyla kurulmuş bir platformdur. Sitemizde, öncelikli olarak matematik ile ilgili yazılar yer almaktadır. Ancak bilimin bütünsel yapısı itibari ile diğer bilim dalları ile ilgili konular da ilerleyen yıllarda sitemize dahil edilmiştir. Bu sitenin tek kazancı sizlere göstermek zorunda kaldığımız reklamlardır. Yüksek okunurluk düzeyine sahip bir web sitesi barındırmak ne yazık ki günümüzde oldukça masraflıdır. Bu konuda bizi anlayacağınızı umuyoruz. Ayrıca yazımızı paylaşarak veya Patreon üzerinden ufak bir bağış yaparak da büyümemize destek olabilirsiniz. Matematik ile kalalım, bilim ile kalalım.
Matematiksel