Katı mı Sıvı mı? Newtonsal Olmayan Akışkanlar
Bir madde hem katı hem de sıvı gibi davranabilir mi? Bir maddenin katı veya sıvı olduğunu anlamak genellikle oldukça kolaydır. Üstünkörü bir değerlendirme yapmak için elimize alırız, eğer akıyorsa sıvı deriz. Eğer akmıyor ve sert duruyorsa katı olarak sınıflandırabiliriz. Fakat bu ayrım her zaman kolay değildir. Bugün kafaları karıştıracak, baskı altında formunu değiştiren bir akışkan grubunu ele alacağız.
Sıvının Akışkanlık Rejimine İsyanı: Viskozite
Evet, Newtonsal olmayan akışkanlara geçmeden önce bir konuyu açıklamamız gerekiyor: Viskozite. Bu ilginç isim bir sıvının akışkanlığa karşı direnci anlamınına geliyor. Her gün deneyimlediğimiz gibi sıvılar akma eylemini gerçekleştirir. Bir sürahiden bardağınıza suyu dökerken gözlemlediğimiz akma örneğinde olduğu gibi. Fakat bu akma hızı ve isteği her sıvı için aynı değildir. Bir balın akma hızı suya göre çok daha yavaştır. Yani balın akmaya karşı direnci daha yüksektir. Daha tutucudur bal ve hareket etmeyi pek de sevmez. Bu olayı bilimsel olarak açıkladığımızda “balın viskozitesi suya göre daha yüksektir” deriz.
Newton’un Baskı Karşıtı Viskozite Yasası
Birazdan bahsedeceğimiz bu katı mı sıvı mı belli olmayan ne idiği belirsiz akışkanlar da viskozite kanunundan pek haz etmiyorlar. Bu kanun kaçaklarının uyması gereken kanun, Isaac Newton tarafından anayasaya girmiştir. Temelde Newton’un kanunu akışkanların her noktada doğru orantılı şekilde ilerlemesi gerektiğini söyler. Bu ilerleme hızı bir baskıyla değişmemelidir. Yani, ne kadar baskı olursa olsun akışkanlar isyan etmemeli ve akışa devam etmelidir. Örneğin kapağında küçük bir delik açılmış bir su şişesini düşünelim. Bu şişeyi ters çevirdiğimizde hiç baskı uygulamasak da akmaya başlar ve akış hızı sabit şekilde ilerler. Şimdi de mayonezi düşünelim. Patatesimize sıkmak için kapağını açıp ters çevirdiğimizde çoğu zaman akmak istemez. Yukarı aşağı hızlıca sallamak ve ardından şişeyi biraz sıkmak gerekir mayonezi hareket ettirmek için. İşte su Newton tipi akışkan örneğiyken, mayonez Newtonsal olmayan akışkan örneğidir.
Newtonsal Olmayan Akışkanlar
Newtonsal olmayan akışkanların baskı durumuna göre akışkanlığını değiştirebildiğini öğrendik. Bu akışkanlar dışarıdan bakıldığında sıvı gibi gözükür ancak darbe karşısında katı gibi davranır. Baskı durumunda bir anda kenetlenip bir duvar gibi davranırlar. Fakat her zaman bu kadar gergin değildirler. Eğer yavaş hareketlerle, sakince yaklaşırsanız sanki suya dokunuyormuşsunuz gibi sıvı olarak davranır. Baskı altında kaskatı bir duvara dönerken, tatlı sözle gelindiğinde pamuk kalpli bir sıvıya dönüşürler.
Bu akışkanların birçoğu aslında tamamen sizin yaklaşımınıza göre şekillenirler. Siz sert davranırsanız sert bir karşılık alırsınız. Sakin gelirseniz sakin bir cevap alırsınız. Mayonez de newtonsal olmayan akışkanlara örnektir. Ama bu sefer durum tam tersidir. Baskı altında akışkan hale gelirken, dürtüklemezseniz akmaya niyeti yoktur.
Newtonsal olmayan akışkanlara örnek olarak şu maddeleri verebiliriz:
Bal, Ketçap, Mayonez, Diş macunu, Şampuan, mısır nişastası-su karışımı, puding ve hatta slime…
Ne Kadar Sert Olabilirler Ki?
Tamam, bu akışkanların bazılarının baskı altında sertleştiğini gördük. Peki ama ne kadar sert olabilirler ki? Duvar gibi benzetmesinde abartma yoktur. Gerçekten de bir duvardan farksız hale gelebilirler. Aşağıdaki videoda örneğini gördüğünüz gibi üstünde zıplayabileceğiniz kadar sert bir zemin oluşturabilir. Daha da ilginci, bu akışkanlar kurşun geçirmeyecek kadar sert bir ortam dahi oluşturabiliyor. Puding, Newtonsal olmayan akışkanlara güzel bir örnektir. Bu videoda da puding dolu bir kabın kurşun geçirmezliği test edilmekte. Ve sonuçlar oldukça şaşırtıcı.
Hatta bu darbe anındaki dayanıklılık özelliği, bu akışkanları potansiyel güvenlik ekipmanı yapıyor. Birçok araştırmacı bu akışkanların kask, koruyucu gibi birçok ekipmanın içerisinde kullanılmasını araştırmaktadır.
Neden Böyle Davranıyorlar?
Bu akışkanların neden stres altında katılaştığını günlük yaşamdan bir örnekle daha iyi anlayabiliriz. Varsayalım ki şu anda kalabalık bir ortamdasınız ve karşıya geçmek istiyorsunuz. Veya düğün sırasında pistte dans eden kişilerin arasından geçmeniz geçip karşıya ulaşmanız gerekiyor. Telaşla koşmaya başlar veya hızlıca ilerlerseniz kesinlikle dans eden birine çarpıp duraksarsınız. Newtonsal olmayan sıvıya sertçe vurmak da benzer şekildedir. Ama eğer sakince, yavaş yavaş ilerlerseniz (belki pistten geçerken sahte birkaç dans figürü de yaparsanız) insanların arasından geçer ve hedefinize ulaşırsınız. Tıpkı elinizi newtonsal olmayan akışkana yavaşça daldırdığınızda kabın dibine rahatça ulaşabileceğiniz gibi.
Bu beklenmedik davranışın en temel sebebinin bu akışkanların yapısındaki boşluklar olduğunu söyleyebiliriz. Viskozite ve genel olarak akışkanlar mekaniği oldukça geniş kavramlardır. Yukarıda da bahsedildiği gibi Newtonsal olmayan akışkanlar bile kendi içinde strese bağlı olarak sertleşen (dilatant) ve tam tersine akışkan hale gelenler (pseudoplastic) olmak üzere ikiye ayrılmakta. Bu akışkanların davranışlarındaki farklılıkları terimler ve matematisel işlemlere girmeden basitçe açıklamak pek kolay değildir. Eğer sebep kısmı ilginizi çektiyse yazının sonundaki “Kaynakça ve İleri Okumalar” kısmına bakmanızı öneririz.
Siz De Evde Kendi Newtonsal Olmayan Akışkanınızı Yapabilirsiniz!
Malzemelerimiz sadece mısır nişastası ve su. Evet, bu kadar kolay. Birkaç kaşık mısır nişastasını göz kararı şekilde alıp biraz suyla karıştırarak bir bulamaç elde edersiniz. Bu bulamaç sıvı gibi gözüküyor ama vurduğunuzda sert bir katı gibi davranıyorsa eğer tebrikler! Artık siz de bir newtonsal olmayan akışkana sahipsiniz.
İyi eğlenceler 🙂
Kaynakça ve İleri Okuma
Deshmukh, S. S., & McKinley, G. H. (2006). Adaptive energy-absorbing materials using field-responsive fluid-impregnated cellular solids. Smart Materials and Structures, 16(1), 106–113. https://doi.org/10.1088/0964-1726/16/1/013
Eberhard, U., Seybold, H. J., Floriancic, M., Bertsch, P., Jiménez-Martínez, J., Andrade, J. S., & Holzner, M. (2019). Determination of the Effective Viscosity of Non-newtonian Fluids Flowing Through Porous Media. Frontiers in Physics, 7. https://doi.org/10.3389/fphy.2019.00071
Wikimedia Foundation. (2021, May 10). Non-Newtonian fluid. Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/Non-Newtonian_fluid#:~:text=A%20non%2DNewtonian%20fluid%20is,thus%20a%20non%2DNewtonian%20fluid.
Kullanılan görsellerin kaynaklarına, görsellerin üzerine tıklayarak ulaşabilirsiniz.
Bize Destek Olmak İster Misiniz?
- Dilerseniz Patreon hesabımız üzerinden bize aylık veya tek seferlik bağış yaparak destekte bulunabilirsiniz.
- Daha detaylı bilgi almak için “Bize Destek Olabilirsiniz!” sayfamızı inceleyebilirsiniz!
