Yuvarlayıp top haline getirilip çöpe atılan bir kağıdın, bir arabanın çarpışma anında d∈forme olan ön kısmının veya milyonlarca yılda dağları oluşturan yerkabuğunun ortak noktası nedir? Hepsi, uzunluğundan veya genişliğinden çok daha ince olan materyalin kendisinden daha küçük bir alana sıkıştırılmasından meydana gelen buruşma denilen fiziksel bir süreçten geçiyor. Buruşmayı sadece düzensiz bir kargaşa olarak hayal etmek kolay olsa da, bilim insanları buruşmanın matematiksel olarak tahmin edilebilir ve tekrarlanabilir bir süreç olduğunu keşfettiler.
Nature Communications’da yakın zamanda yayınlanan makaleye göre araştırmacılar ince sayfalar buruşturulduğunda daha sonra açılıp tekrar buruşturulduğunda neler olduğuna dair fiziksel model tanımladılar.
Makalenin yazarı Christopher Rycroft “Küçük yaşlardan itibaren herkes bir kağıdı buruşturup top haline getirmeye, onu açmaya ve oluşan karmaşık kırışma ağına bakmaya aşinadır.” diye açıklar. Christopher Rycroft, Harvard Üniversitesi John Al Paulson Mühendisik ve Uygulamalı Bilimler Okulu’nda doçent ve Rycroft Group’un bilimsel hesaplama ve matematik modelleme başkanıdır. “Buruşma oluşan yüzey rastgele ve düzensiz görünür ve ne olduğu hakkında herhangi bir şey tahmin etmenin zor olduğunu düşünebilirsiniz.”
Rycroft bir e-postada “Şimdi bu işlemi tekrarladığınızı, kağıdı tekrar buruşturduğunuzu ve açtığınızı varsayalım. Daha fazla kırışıklık oluşacak” diyor. “Ancak kırışıklık sayısını ikiye katlamayacaksınız, çünkü mevcut kırışıklar zaten sayfayı zayıflattı ve ikinci seferde daha kolay katlanmasını sağlamış oldu.”
Kırışıkların Toplam Uzunluğu = “Mileage”
Bu fikir, makalenin yazarlarından bir diğeri olan, şu an Kudüs İbrani Üniversitesi’nde olan eski Harvard fizikçisi Shmuel M. Rubinstein ve onun öğrencileri birkaç yıl önce yapılan deneylerin temelini oluşturdu. Rycroft’un açıkladığı gibi, Rubenstein ve ekibi tekrar tekrar ince bir sayfayı buruşturdu ve “Mileage” olarak adlandırdıkları sayfadaki toplam kırışıklık uzunluğunu ölçtüler. Bu araştırma, 2018’de yayınlanan bu makalede açıklandı.
Rycroft’un açıklamasına göre “ Mileage artışının şaşırtıcı bir şekilde tekrarlanabilir olduğu ve sayfa giderek zayıfladığı için her seferinde yeni mileage artış miktarının biraz daha az olacağını keşfettiler”. Bu bulgu fizik camiasını şaşkına çevirdi. Rycroft ve Harvard doktora adayı Jovana A Andrejevic buruşmanın neden böyle davrandığını anlamak istedi. Rycroft “ İlerme sağlamanın yolunun, kırışıklıkların kendilerine odaklanmaktan ziyade kırışıklıkların ana hatlarını çizdiği hasarsız yüzeylere bakmak olduğunu bulduk” diyor.
2021 makalesinin baş yazarı Andrejevic e-posta yoluyla şöyle açıklıyor. “ Deneyde kağıda benzer şekilde buruşabilen ince bir film olan Mylar’ın ince yaprakları sistematik olarak birkaç kez buruşturuldu ve her tekrarda yeni kırışıklıklar oluştu.”
“Buruşmalar arasında, yapraklar dikkatlice düzleştirildi ve profilometre adı verilen bir alet kullanılarak yükseklik profilleri tarandı. Profilometre, sayfa yüzeyi boyunca yükseklik haritasının ölçümlerini yapar, bu da kırışıklıkların yerlerini bir görüntü olarak hesaplamamızı ve görselleştirmemizi sağlamaktadır.”
Kırışmalar dağınık ve düzensiz olabileceğinden, bilgisayar otomasyonun anlaması zor olabilecek karmaşık veriler üretir. Bu sorunu çözmek için Andrejevic, bir tablet bilgisayar, Adobe Illustrator ve Photoshop kullanarak 24 sayfadaki kırışıklıkları takip etti. Bu ise, New York Times’ın son makalesinde açıkladığı gibi, toplam 21.110 yüzeyin kaydedilmesi anlamına geliyordu.
Andrejevic’in çalışmaları ve görüntü analizi sayesinde “buruşma ilerledikçe yüzey boyutlarının dağılımlarını inceleyebildik” diye açıklıyor Rycroft. Araştırmacılar boyut dağılımlarını; kayalar, cam kırkIarı ve volkanik enkaz gibi nesnelerin zamanla nasıl küçük parçalara ayrıldığıyla ilgilenen dağılma teorisiyle açıklanabileceğini buldular. (Bunu buzdağlarına uygulayan Journal of Glaciology’den yeni bir makale)
“Aynı teori, daha fazla kırışıklık oluştukça buruşuk sayfanın yüzeyinin zamanla nasıl parçalandığını doğru bir şekilde açıklayabilir” diyor Rycroft. “Ayrıca, buruşmadan sonra sayfanın nasıl zayıfladığını değerlendirmek için de kullanabiliriz böylece mileage artışının nasıl yavaşladığını açıklayabiliriz. Bu, 2018 yılındaki çalışmada görülen mileage sonuçlarını ve logaritmik ölçeklendirmeyi açıklamamızı sağlar. Parçalanma teorisinin soruna bir bakış açısı sağladığına ve özellikle zaman içindeki hasar birikimini modellemek için yararlı olduğuna inanıyoruz.” diyor Rycroft.
Buruşma Teorisi Neden Önemli?
Buruşma hakkında bilgi edinmek potansiyel olarak modern dünyadaki her şey için gerçekten önemlidir. “Herhangi bir yapısal kapasitede malzeme kullandığınızda, onun tüm özelliklerini anlamak çok önemlidir.” diyor Rycroft. “Birçok durumda materyallerin tekrarlanan durumlarda nasıl davranacağını anlamak önemlidir. Örneğin, uçakların kanatları ömürleri boyunca binlerce kez aşağı ve yukarı hareket eder. Tekrarlanan buruşma çalışmamız, materyallerin tekrarlanan yük altında nasıl hasar gördüğüne dair sistem modeli olarak görülebilir. Materyallerin zaman içinde kırıImalar/kırışıklıklar nedeniyle nasıl zayıfladığıyla ilgili teorimizin bazı temel unsurlarının diğer materyal türlerinde benzer şeylere sahip olmasını bekliyoruz.”
Ayrıca bazı durumlarda buruşma teknolojik olarak da kullanılabilir. Örneğin Rycroft, buruşuk grafen levhalarının Li-ion piller için yüksek performanslı elektrotlar yapma olasılığının önerildiğini belirtiyor. Ek olarak, bruşma teorisi, 2018 New York Times makalesinde belirtildiği gibi, böceklerin kanatlarını nasıl açtığından , DNA’nın bir hücre çekirdeğine nasıl paketlendiğine kadar her türlü konu hakkında bilgi sağlar.
Andrejevic “Buruşturulan kağıt ve diğer materyaller, karakteristik olarak büküIebilir ve büküImesi kolaydır, bu nedenle kırıImaları olası değildir,” diye açıklıyor. “Bununla birlikte, kaya veya cam gii sert materyaller kolayca büküImez bu nedenle bir sıkıştırma kuvvetine tepki olarak kırıIır. Buruşma ve kırıImanın oldukça farklı süreçler olduğunu söyleyebilirim, ancak fark edebileceğimiz bazı benzerlikleri vardır.
Örneğin, hem buruşma hem de kırıIma, materyaldeki gerilimi giderme mekanizmalarıdır. Kırışma, bir sayfanın diğer kısımlarını hasardan korur ve hasarın sayfadaki oldukça dar çıkıntılara yerleşmesini sağlar. Aslında, bir sayfa buruştuğunda oluşan keskin köşeler ve çıkıntılar, sayfadaki enerjisel olarak pasif gerilme alanlarının yerleşimidir. Sonuç olarak, sayfa bu d∈formasyonları çok dar alanlara sınırlandırarak en aza indiriyor ve sayfanın geri kalanını mümkün olduğunca koruyor.
“Kıvrılan ince sayfalar, gerilmek yerine büküImeyi tercih ediyor, bu bir yaprak kağıda ellerimizle bükmeye veya germeye çalışarak kolayca yapabileceğimiz bir gözlem. Enerji açısından bu, bükmenin esnemeden çok daha az enerjiye mal olduu anlamına gelir. Bir sayfa düz kalamayacak şekilde tutulduğunda, değişen hacme uyum sağlamak için büküImeye başlayacaktır. Ama belli bir noktadan sonra tek başına bükerek sayfayı küçük bir hacme sığdırmak imkansız hale geliyor.”
Kırışıkları Daha İyi Anlamak
Buruşma hakkında hala öğrenilmesi gereken çok şey var. Örneğin, Rycroft’un belirttiği gibi, eliniz yerine silindirik bir piston kullanarak farklı buruşma şekli oluşup oluşmayacağı belli değildir. “Bulgularımızın ne kadar genel olduğunu anlamak istiyoruz” diyor Rycroft. Buna ek olarak, araştırmacılar, yalnızca sonucu incelemek yerine, kırışıklıkların nasıl oluştuğunun gerçek mekaniği hakkında daha fazla bilgi edinmek ve işlem sırasında ölçüm yapabilmek istiyor.
“Bunu aşmak için, şu anda tüm süreci gözlemlememize izin verebilecek buruşuk bir sayfanın 3 boyutlu mekanik simülasyonunu geliştiriyoruz” diyor Rycroft. “Simülasyonumuz daha önceden deneyde görülenlere benzer kırışık desenler oluşturabilir ve bize buruşma sürecinin çok daha ayrıntılı bir görünümünü sunar.”
İlginç Olan Şu Ki
Andrejevic’in açıkladığı gibi, buruşma üzerine daha önce yapılan araştırmalar, aslında bir sayfa ne kadar çok buruşursa, daha fazla basınca o kadar fazla direnç gösterdiğini ve dolayısıyla onu sıkıştırmak için giderek daha fazla kuvvet uygulamak gerektiğini gösteriyor. “Bunun, sıralanmış ve buruşuk sayfaya gücünü veren yapısal sütunlar gibi davranan çıkıntıların sonucu olduğu varsayıldı.” diyor.
Feyza Demirbaş
