Fizik

Cheerios Etkisi: Yüzen Cisimler Neden Birbirine Yapışır?

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 ve sonuçta, su molekülü kutuplu olur. Bu nedenle oksijen atomunda küçük bir negatif yük, hidrojen atomlarında küçük bir pozitif yük bulunur. Yükler, su moleküllerini sıkıca birbirine yapıştırır. Bu şu biçimde gerçekleşir.

Bir bardak suda, su molekülleri, diğer su molekülleri ile çevrilidir ve hepsi birbirini çeker. Ancak bir halat çekme oyununda eşit güçte bulunan iki rakip gibi, net etki sıfırdır ve gerçekte hiçbir şey olmaz. Ancak sıvı yüzeyinde durum böyle değildir. Çünkü burada hava işin için karışır. 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.

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 ve iki Cheerios birbirine yeterince yaklaştığında bu çukurlar birleşir. Yukarıda anlattığımız olaylar bu mısır gevreklerinin ortada bir araya toplanmasına ve aynı biçimde bazılarının kasenin kenarlarına yapışmasına neden olur.

Cheerios Etkisi İle İlgili Yapılan Bir Çalışma

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.

 Deneyde, küçük bir su küvetinde yüzen, biri küçük bir mıknatıs içeren iki Cheerio boyutlu plastik disk kullanıldı. Küveti çevreleyen elektrik bobinleri, manyetize olmuş diski çeken manyetik alan üretti. Araştırmacılar, diskler birbirinden uzaklaşmaya başladığı anda manyetik alanın yoğunluğunu ölçerek çekici kuvvet miktarını belirlediler. Araştırmacılar, iki diskin birbirlerine yaklaştıkça eğilmeye başladığını fark ettiler. Eğim, sıvının geri itme kuvvetini artırıyordu. Bu ekstra itme de, diskler arasında artan çekici bir kuvvet oluşturuyordu.

Kaynaklar ve ileri okumalar:

  • Researchers directly measure ‘Cheerios effect’ forces for the first time; Yayınlanma tarihi: 19 Kasım 2019; Yayınlandığı yer: Phys.org Bağlantı: https://phys.org/
  • Cereal Science: Why Floating Objects Stick Together; Yayınlanma tarihi: 21 Eylül 2005; Yayınlandığı yer: Livescience Bağlantı: https://www.livescience.com/
  • The “Cheerios effect”; Yayınlanma tarihi: 25 Şubat 2005; Yayınlandığı yer: American Journal of Physics; Bağlantı:https://aapt.scitation.org/

Matematiksel

Sibel Çağlar

Merhabalar. Matematik öğretmeni olarak başladığım hayatıma 2016 yılında kurduğum matematiksel.org web sitesinde içerikler üreterek devam ediyorum. Matematiğin aydınlık yüzünü paylaşıyorum. Amacım matematiğin hayattan kopuk olmadığını kanıtlamaktı. Devamında ekip arkadaşlarımın da dahil olması ile kocaman bir aile olduk. Amacımıza da kısmen ulaştık. Yolumuz daha uzun ama kesinlikle çok keyifli.

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir

Bu Yazılarımıza da Bakmanızı Öneririz

Başa dön tuşu