Akışkanlar Mekaniği

Dökülen Kahvenin Ardındaki Fizik

Bilim insanları gerçeğin peşinde ilerlerken birçok engelle karşılaşır. Ancak yeni bir çalışma herkesin zaman zaman karşılaştığı bir engelin daha ortadan kalktığını söylüyor:

Kahvenizi Dökmemenizin Bir Yolu Bulundu

“Benim için, 'kahvenin dökülmesi önemli bir bilimsel çalışmaya konu olmuş' demek oldukça güç.” diyor Santa Barbara, California Üniversitesi'nden bir makine mühendisi, Rouslan Krechetnikov. “Ancak bunun insanı bir düşünceler denizine daldıracağı kesin.”

Düşünce Nasıl Doğdu?

Krechetnikov ve bir mezun öğrencisi, Hans Mayer, geçen yıl katıldıkları “akışkan fiziği” ile ilgili bir konferansta birçok kişinin kahvesini taşırken yanlışlıkla döktüğünü görür ve dökülen kahvenin dinamiklerini araştırmaya karar verir. Kısa zamanda anlarlar ki bu olayın ardındaki fiziği açıklamak hiç de kolay değildir. İnsan yürüyüşünün kişinin sağlığına, yaşına, cinsiyetine bağlı olan dinamikleri bir yana ivme, tork ve kuvvetlerin karmaşık bir etkileşimine dayanan akışkan sıçramasının bilimi bile kendi başına bir derttir.

Deney

İşin kolay olmayacağını anlayan Krechetnikov ve Mayer laboratuarlarına gidip bir deney düzeneği kurarlar. Bir gönüllü çağırırlar ve ondan düz bir çizgi boyunca elinde kahve dolu bir kupayla birlikte değişik hızlarda yürümesini isterler. Gönüllü bunu ancak iki farklı şekilde başarır; birincisinde kahve dolu bardağa, ikincisinde de çizgi boyunca düz bir şekilde yürümeye odaklanır. Bir kamera gönüllünün hareketleri ile bardağın ilerlediği yörüngeyi kaydeder. Aynı anlarda da bardağın içindeki bir sensör kahvenin döküldüğü anı kaydediyordur.

Deneyin Sonuçları

Bir akışkanın ileri geri hareketi sonucunda doğal bir frekans oluşur ve burada belirleyici unsur bardağın büyüklüğüdür. “Physical Review E”de yayınlanan makalelerinde Krechetnikov ve Mayer, her gün karşılaştığımız kahve kupalarının oluşturduğu doğal frekansın bizler adım atarken bacaklarımızın hareketinden dolayı oluşan doğal frekansa eşit olduğunu gösterdiler. Bunun anlamı yürüyüşümüze dışarıdan bir müdahale olmadığında bile sadece yürüyerek kupa içindeki kahvenin titremesine sebep oluruz. Bunun yanında araştırmacılar kişinin yürüşündeki en ufak bir düzensizliğin bile önemli olduğunu ortaya koydular: Bunlar daha şiddetli titreşimleri veya sıçramaları arttırır ve böylelikle kahvenin dökülmesini kolaylaştırır.

Lei Ren’in söylediğine göre bu çalışma oldukça hoş bir çalışmadır. Ren, Birleşik Krallık’taki Manchester Üniversitesi’nde “yürüyüşün biyomekaniği” üzerine uzmanlaşmış bir bilim adamıdır. Ren’e göre; “Bu çalışma, insan vücudunun dinamikleriyle dökülen kahvenin akışkan mekaniği arasındaki güzel etkileşimi ortaya koyuyor.”

Çözüm Nedir?

Peki, nasıl kahvemizin dökülmesini engelleriz? Krechetnikov ve Mayer’in buna verdiği cevap bizi şaşırtmadı. Çalışma gösterdi ki yürüşümüzü yavaşlatarak başlayabiliriz ve böylelikle ivmeyi azaltmış oluruz. Ayrıca bardağın kapağıyla üstü arasında uygun bir aralık bırakarak da bunu başarabiliriz. Çalışmalar göstermiştir ki bu aralık normal bir bardağın çapının sekizde biri kadar olmalıdır, bu da 1 cm’lik bir aralığa denk gelir. Ancak araştırmacılar en iyi yöntemin ne yaptığımıza dikkat etmemiz ve bardağı ağzına kadar doldurmamamız olduğunu söylüyor; böylelikle doğru dizayn edilmiş bir kupayla kahveyi dökmeden yürümeyi garantilemiş oluruz.

Çözüm Üzerine Bilinen Örnekler

Birleşik Krallık’taki Surrey Üniversitesi’nden bir matematikçi, Matthew Turner, akışkanların sıçraması konusunda uzmanlaşmıştır ve birçok kişinin önerilen çözüm yollarını kendi başlarına bulabileceklerini iddia eder. Ancak özellikle üzerinde durduğu gerçek ise bu çalışmanın, deneyi gerçek kupalarla gerçekleştirmek zorunda kalmadan matematiksel bir model kullanılarak farklı kupa dizaynları ile yürütme imkanı vermesidir. Mühendisler zaten sıçramayı önleyecek tekniklerden haberdarlar: Mesela çok fazla sıçrama bir tankeri devirebileceği için sıvı yük taşıyan tankerlere iç sırtlar veya perdeler ilave edilmesi gibi…

Kupa Üreticileri ve Çalışma Sonuçları

Ancak Turner’ın inanışına göre kupa yapan şirketler bu fikirleri dinlemek istemeyecektir. “ Ben üreticilerin sadece kahve kupaları için bir kapak sağlamak amacıyla maliyeti arttıracaklarını beklemiyorum. Bunu çok az üretici halihazırda yapıyor. Ancak bu çalışma bize kupaya konulacak kahve için bir maksimum sınırı belirleyeceğinden dolayı yararlıdır. Böylelikle o sınır geçilmedikçe kahvemiz dökülmeyecektir.”

Ig Nobel’e Aday mı?

Her şeye rağmen bu çalışmadan çok da etkilenmemiş bilim adamları var. Boston Koleji’nden bir fizikçi, Andrzej Herczynski, Krechetnikov ve Mayer’in çalışmasının; sadece silindirik kupalarla sınırlı kaldığını ve İtalya’da kapuççinoların ve lattelerin servis edildiği, oldukça sık rastlanan kavisli ve konik kupalar için bir açıklama getirmediğini belirtti. Ancak yine de bu çalışmanın en az bir Ig Nobel Ödülü almasını beklediğini de sözlerine ekledi.

Kaynak : Sciencemag (04 Mayıs 2012)

MsXLabs Üye Girişi