Hepimizin bildiği gibi, maddenin halleri 4 kategoriye ayrılmıştır. Bunlar katı, sıvı, gaz ve plazmadır. Özellikleri basit gibi görünse de, aslında bazı durumlarda maddeler bizi şaşırtır. Bu durumlar oldukça fazla ancak biz yalnızca bir noktaya odaklanacağız: akışkanlık. Bunu incelemek için önce maddenin hallerine bir göz atalım.
Katılar sabit şekilli maddelerdir ve maddenin en dayanıklı, moleküller arası çekimin en fazla olduğu faz olarak bilinir. Doğal olarak, molekülleri birbirine en yakın faz da katı fazıdır. Katı maddelerin molekülleri, birbirlerinden bağımsız hareket edemezler, yani her molekül birbirine bağlıdır ve pozisyon değiştirmek yasaktır, aynı bir küp şekeri oluşturan küçük şeker parçaları gibi. Bu yasağı koyan ise moleküller arası çekim kuvvetidir. Bu kuvvet o kadar güçlüdür ki bir molekül onu tutan diğer moleküllerden ayrılamaz. Dolayısıyla, katı bir maddenin molekülleri yalnızca titreme hareketi yapabilirler. Sıvı maddeler katılardan daha özgürdürler. Örneğin, bir sıvı molekülü diğer sıvı moleküllerinden bağımsız yer değiştirebilir. Diğerlerinden uzaklaşabilir, ya da onların etrafında tur atabilir, maddenin diğer ucuna kadar hareket edebilir. Bu özgürlüğe sebep olan faktör moleküller arası çekimin katılardan daha az olmasıdır. Eğer katı maddeleri, birbirine sıkı sıkıya bağlı küçük toz şekerlerden oluşan küp şekerlere benzetiyorsak, sıvıları da onun sıkı sıkıya birleştirilmemiş haline, toz şekerine ya da pudra şekerine benzetmemiz doğru olacaktır. Gaz fazındaki maddelerden bahsedecek olursak, onlar sıvılardan da düzensizdir. Aralarındaki çekim çok azdır, o kadar azdır ki molekülleri bir arada tutmaz ve bu yüzden belli bir hacimleri de olmaz.
Akışkanlık terimi aslında sıvılar ve gazlar için kullanılır. Akışkan hareketlerini inceleyen bilim dalına Akışkanlar Mekaniği denir ve Akışkanlar Statiği ve Dinamiği olmak üzere ikiye ayrılır. Peki, katıların da akışkan olarak nitelendirilmesi mümkün müdür? En azından bazı durumlarda akışkan sayılabilirler mi? Bu sorunun cevabını teknik olarak aramaktansa, mantıksal ve pratik bir inceleme daha faydalı olacaktır.
Akışkan mekaniği hakkında konuşabilmek için önce katı hal mekaniği hakkında bir fikir sahibi olmak az çok gereklidir. Katı hal mekaniğinde incelenen maddenin moleküllerinin birbirlerine göre hep sabit oldukları varsayılır. Örneğin bir futbolcunun vurduğu topun hızı hesaplanırken, bulunan hız aslında top üzerindeki tüm moleküllerin de hızıdır. Moleküller birer nokta olarak farz edilir ve hepsinin birleşimi topu oluşturur. Akışkan mekaniğinde ise daha farklı hesaplamalar vardır, örneğin bardaktan belli bir hızla fırlatılan bir miktar suyun hareketi incelenir. Böyle bir problemde tüm su moleküllerinin hızını aynı düşünmek, hepsinin birbirine bağlı hareket ettiğini düşünmek saçmalık olacaktır. Zaten gözle de görüldüğü gibi sıvı birkaç parçaya bölünecek, yer yer damlalar şeklinde yayılacaktır.
Peki, onu elimize alıp dökmeden, durgun bekleyen bir bardak su ile bir akış oluşturulabilir mi? Cevabı evet, bardak içinde bir kaşık sokup çevirmeye başlarsanız, çembersel bir akış oluşturursunuz. Siz bu karıştırma hareketini yaptıkça, kaşık aslında bir bıçak gibi davranıp sıvı molekülleri arasındaki bağları keser ve sıvı moleküllerini çevirdiğiniz yönde ittirir. Bağını koparttığımız ve hareket etmesi için kaşıkla ittiğimiz moleküller hareket ettikçe, yerine yenileri gelir ve akış bu şekilde belli bir süre daha devam eder. Konumuzla ilgisi yok, ancak bu akış hareketinin siz karıştırmayı bıraktıktan sonra ne kadar devam edeceğine viskozite denen özellik karar verir.
Katılar Nasıl Akışkan Hale Gelir?
Katıların nasıl akışkan davranabileceğini düşünmeden önce, onu gözümüzle görmemiz daha doğru olur. Piedmont Buzulları, Kanada’da bulunuyor, dar vadilerden taşan buzullar geniş alanlarda dökülmüş bir bal benzeri görüntüye sebep oluyor. Bildiğimiz gibi buz, suyun donmuş halidir ve akışkan değildir. O zaman nasıl böyle bir şekil alabiliyor? Çünkü yeterli kuvvet altında ve zaman içerisinde, her şey akışkandır.
Teknik olarak bunu maddenin bozulmaları ile açıklarız. İlk olarak, katı moleküllerin birbirine sıkı sıkıya bağlı kalmasını sağlayan bağların da belli bir kuvveti vardır. Bu kuvveti kırmak için maddeye dikey kuvvet uygulamak bu bağları sıkıştırır, üst üste binen bağlar kolaylıkla kırılmaz. Bağ doğrultusuna dik bir kuvvet, kesme kuvveti (shear force) uygularsak, moleküllerin birbirinden kopup, kuvvet yönündeki en yakın molekülle bağ oluşturduğunu görürüz. Örneğin, elimizdeki küp şekeri ortasından kesip sağdaki parçayı, soldakine göre biraz daha yukarıda yapıştıralım. Artık molekülleri kaymış, moleküller bir üstteki moleküle bağ kurmuş şekildedir. Bu deformasyon tipine vida dislokasyonu (screw deformation) denir. Şekilde görülen her bir küpün bir molekülü temsil ettiğini düşünürsek, küp şeker örneğimiz de daha rahat anlaşılmış olur. Bu dislokasyonun oluşması için kuvvet şarttır ve belirttiğimiz gibi, kesme kuvveti (shear force) olmalıdır.
Önceki şekilde gördüğümüz Piedmont Buzulları’nı temel bir içgüdüyle inceleyelim. Nasıl oluştuklarını açıklayacak olursak, önce dikkatimizi vermemiz gereken kısım buzulların ‘taştığı’ dar alanlar olmalıdır. Dağlarda biriken ve üst üste binen buzullar bir yerden sonra elbette bu dar alanlara ulaşacaklardır. Peki buradan dışarı taşarken böyle akışkan bir görüntü oluşması normal mi? Bir katı olan buz daha farklı, daha düzensiz veya en azından sıvıya benzemeyen bir etrafa yayılma formu izleyemez miydi? Bu şeklin oluşması sebebi olan bahsettiğimiz kesme kuvveti (shear force) burada karşımıza yer çekimi olarak çıkıyor. Yani, dağlık alandan vadiye açılan dar ‘kapılara’ yakın buz kütleleri, ağırlıkları sebebi ile bir deformasyon gerçekleştiriyorlar ve uzun yıllar içinde oluşan bu görüntüye sebep oluyorlar. Buzulları kaşıkla karıştıramayız ancak onların kendi ağırlıkları kendi kesme kuvvetlerini (shear force) oluşturur ve belli bir yerden sonra bağlarını kopartarak moleküler boyutta bir akış başlamasına sebep olur.
Sonuç olarak, katıların da akış benzeri hareketler yapabileceğini ve akışkan benzeri görüntüler gösterebileceğini gördük. Yeterli kuvvet altında ve yeterli zaman içerisinde, her şey akışkandır.
