Bizi kuşatan dünyaya ait bilime özel ilgi duymasanız bile, bazı şeylerin işleyişinin sırlarını öğrenmek heyecan verici. Her geçen gün dünya sihirliymiş duygusu veren bir teknolojiyle dolup taşıyoruz ve zamanla bunları kanıksıyoruz. Bu yazımızda günlük hayatımızda yer alan bilimsel buluşlara/icatlara dair kısa bilgiler vermeye çalışacağız.
1. Wi-Fi
Guglielmo Marconi radyoyu icat etmiş olabilir, ama bunun için asıl Heinrich Rudolf Hertz’e teşekkür borçlu. Alman fizikçi Hertz, radyo dalgalarının ve diğer elektromanyetik dalgaların varlığını kanıtlayan ilk isimdir. Frekans birimi hertz, onun adını günlük hayatımıza taşır.
Wi-Fi Birliği, Wi-Fi’yi kablosuz yerel bölge ağı (WLAN) ürünü olarak tanımlar ve bu teknolojinin Elektrik ve Elektronik Mühendisleri Enstitüsü’nün 802.11 standartlarını baz aldığını belirtir. Halk arasında kullanılan Wi-Fi terimi ise, WLAN teriminin kısaltılması olarak kullanılır. Wi-Fi, radyo gibi çalışan bir kablosuz iletişim aracıdır. Bir bilgisayar içinde yer alan adaptör, verileri radyo sinyallerine dönüştürerek anten yoluyla iletir. İletimin diğer ucunda bulunan yönlendirici sinyali alarak yeniden veriye dönüştürür. Tabii ki Wi-Fi geleneksel radyo dalgalarından daha yüksek bir frekansta çalışır, yani daha fazla veri kapasitesine sahiptir. Wi-Fi sinyali farklı akımlara ya da alt kanallara bölünebilir ve bu da kapasite, sinyal gücü ve kapsamı artırır. Wi-Fi aynı zamanda frekenstan frekansa atlama becerisine de sahiptir, ki bu da birden fazla cihazın tek bir yönlendiriciyi kullanabileceği anlamına gelir.
2. Ultrason
Ses dalgaları, daha yumuşak maddeler tarafından emilebilir ya da daha sert maddelere çarpıp sekebilir. Ses bir yüzeyden ya da nesneden o yüzeye çarptığı aynı açıyla yansır.
Yunusların ses yankılarıyla yollarını bulmasından farklı olmayan bir yöntemle çalışan ultrason, sesleri bir tür vücut haritasına çevirerek tanı koymada kullanılır. İlk olarak 1960’lı yıllarda anne karnındaki fetusu görüntülemekte kullanılan ultrasonda ses dalgaları farklı yoğunluktadır. Örneğin akciğer dokusu ya da kemik gibi bir organa her ulaştığında, ses enerjisinin bir bölümü yankı olarak ses çubuğuna geri dönerken, bir bölümü de o organı aşar, vücudun daha derinliklerine ilerler. Cihaz yankıların göreli yoğunluklarıyla, kontrol çubuğuna ne sürede ulaştıklarını ölçer. Bilgisayar bu verileri bir ekrana yansıtarak görüntüye çevirir.
3. Uçak
Newton’un 3. hareket yasası şöyle der: Her etki için ona eşit ve zıt yönlü tepki vardır. Etki-tepki kuvvetlerinin büyüklükleri eşittir, fakat yönleri birbirine terstir. Bernoulli İlkesi ise İsveçli Daniel Bernoulli tarafından 1738’de ortaya atılan bir prensiptir. Bir akışkanın (sıvı ya da gaz) hareketi, düşük basınç alanına girdiğinde hızlanır. Yani hızlı hareket eden akışkanlar, yavaş hareket edenlere oranla daha az basınç ortaya çıkarır. Bu basınç farklılıkları, uçurtmanın uçmasını, parfümün püskürtme yapmasını, teknelerin suda dönüşünü vb. sağlamak üzere kullanılır.
Kuşlar ve uçaklar aynı ilkeye dayanarak uçar. Kanatların oluşturduğu kesitler, üstteki yüzeylerde dolaşan havanın alttaki havadan daha hızlı hareket etmesini sağlar. Kanadın kavisli yapısı, aynı amaca ulaşmak için üste doğru olan hava akımını hızlandırır. Uçağın ileri doğru hareketi ise motorun itkisine ve Newton’un yukarıda yazdığımız yasasına bağlıdır. Ama uçak nasıl havalanır ve havada kalır?
Uçak kanatlarının normal tasarımında üst kısımlar kavisli olur. Bu da havanın yolunu uzatarak hızlı hareket eden bir basınç alanı oluşturur. Alttaki yavaş hareket eden hava uçağı yukarı iter. Burada da yukarıda yazdığımız Bernoulli yasası devrededir. Hava, kanadın üst kısmında daha uzun, hızlı yol alarak hareket ettiği için düşük basınç oluşturur. Bu da kaldırma kuvvetini ortaya çıkaran şeydir. Kaldırma kuvvetini yaratmak ya da arttırmak için hücum açısı da kullanılır. Pilot burnu havaya kaldırdığında kanatlar, hava akımıyla açı yapar. Kanadın alt kısmı, havayla daha doğrudan temas halindedir. Hava, Newton’un hareket yasasıyla kanadın alt kısmını iter. Kaldırma kuvvetinin hücum açısını kullanan uçaklar tepetaklak bile uçabilir. Hücum açısı, araba penceresinden el çıkarmaya benzer, elinizi döndürdüğünüzde yukarı veya aşağı doğru bir hareket hissedersiniz.
4. Su Geçirmez, Leke Tutmaz Kumaş
Kuantum mekaniğinde, çok küçük, öne çıkmayan enerji ve madde birimlerinin davranışını öngörmek için matematik de kullanılır. Kuantum mekaniği konusunda en çok adı geçen iki bilim insanı, 19oo’de ünlü kara cisim deneyiyle ışığın spesifik enerji kuantumlarından oluştuğunu öğrenen Max Planck ve 1922’de atomun işleyişini açıklamak için kuantum mekaniğini kullanan Niels Bohr’dur. Teorileri iyi olsa da maddelerin test edildiği deneyler dışında kanıtlanmaları zordu.
Aslında Albert Einstein 1905’de kuantum kuramını önermiştir. Deneysel veri hacminin muazzam boyutlara ulaştığı 1981’de araştırmacılar Gerd Binnig ve Heinrich Rohrer, IBM’in İsviçre Zürih Laboratuvarı’nda çalışan ilk taramalı tünelleme mikroskobunu geliştirip atomun üzerindeki gizem perdesini kaldırdılar. Bu, bilim insanlarının atomu görmelerini sağlayan mikroskoptu. Böylelikle, 20. yüzyılın sonunda nanoteknolojinin ilk ticari uygulamaları piyasaya çıkar. Artık, Kuantum Mekaniği ile hedefe yönelik ilaçlar, kimyasal ve biyolojik sensörler, esnek ekranlı teknolojik ürünler, zararlı güneş ışığından koruyan kumaşlar vs gibi birçok ürün yapılıyor ya da tasarlanıyor.
Su geçirmez, leke tutmaz ürünleri yaratan iki şirket, esin kaynağını doğadan alır. Nilüfer yaprağı üzerindeki küçük kürelerin, suyu ve kiri ittiğini fark eden Schoeller Technologies, bu yetiyi taklit etmek üzere kumaşlara uygulanan nanoküre teknolojisini yaratır. Kaliforniya Oakland’daki Nano-Tex’in nanotüy teknolojisinin ilham kaynağı ise şeftali. Bu teknolojiye göre üretilen kumaş, sıvıları kumaştan yukarı kaldıran ince tüylerle kaplı. Mobilyaların, perdelerin ve gardrobunuzdaki her şeyin bu malzemeden yapıldığını hayal edin, çamaşır yıkamaya elveda.
5. Lazer
Lazerin nasıl işlediğini açıklayan uyarılmış ışınım fikrini Albert Einstein öne sürmüştür. Belli kristaller, bazı gazlar ve birkaç sıvı, ister elektrik akımıyla ister başka bir ışık kaynağıyla olsun, doğru şekilde uyarıldıklarında birbirleriyle tamamen aynı fotonlar (elektromanyetik adı verilen dalgaların toplam enerjisini meydana getiren enerji parçacıkları) yayarlar. Bu durumda, bu maddelerin atomları binlerce saniye devam edebilecek sıradışı, yarı sabit, uyarılmış hale gelirler. Bu atomlardan birindeki bir elektron, komşu bir atomdan gelen foton tarafından enerji yüklendiğinde, kendisini tetikleyen fotonun tıpatıp benzeri bir foton yaymak üzere uyarılır. Süreç katlanarak devam eder ve uyumlu fotonların sayısı artmış olur. Enerji dalgasıyla aynı fazda, tek bir dalga boyu üreten bir ışık meydana gelir.
Lazer kelimesi, uyarılmış ışınım yayılımı yoluyla ışık yükseltme anlamına gelen sözcüklerin kısaltmasıdır. Ama ışığı güneş ve ampul ışığından farklıdır. Lazer ışığı konsantre ve incedir, tek renklidir, aynı yönde hareket ederler. Küçük noktalara yoğun ısı odaklayabilirler. Lazer ışınları, fiber optik kablolarla veri aktarır. Lazer, CD’leri çalar, çelik telleri keser, füzeleri yönlendirir, mesafeleri ölçer, iletken çiplere şekil verir. Tıbbi lazer sağlıklı dokuya zarar vermeden sağlıksız dokuyu kesebilir ya da yok edebilir, tümörleri küçültebilir, aşırı kanamayı durdurmak için damarları yakabilir. Kozmetik lazer istenmeyen tüylerden kurtarabilir. Dövmeleri, doğum lekelerini silebilir. Kırışıklıkları azaltabilir, diş beyazlatma işleminde kullanılır.
6. Hidrolik Fren
Fransız Blaise Pascal, 17. yüzyıl ortalarında sıvı kuvvetinden faydalanmanın yollarını bulan kişidir. Pascal Yasası’na göre bir kapta ve sıkıştırılamaz halde bulunan sıvıya, herhangi bir noktasından dışarıdan basınç uygulamak (örneğin, su dolu bir balonu bastırmak) basıncın her noktada eşit artmasına neden olur. Pascal, aynı zamanda su basıncının derinlikle arttığını gözlemlemiş ve atmosfer ağırlığının kapalı bir kaptaki sıvıları yukarı itebileceğini (barometredeki gibi) gösteren deneyler yapmıştır. Sifon, artezyen kuyusu, su tesisatı petrol çıkarma işlemleri (sondaj), hidrolik kepçe, dalış ve vurgunda da Pascal Yasası’nın işlediğini söyleyebiliriz.
Hidrolik frenlerde aracın frenleme organlarını çalıştırmak için hidrolik yağ basıncından yararlanılır. Fren sistemi, Pascal’ın bir kabın içine konulmuş sıvının üzerine bir kuvvet uygulandığında sıvı bunu kabın çeperlerine aynı şiddette iletir prensibine göre çalışır. Fren pedalının bağlandığı borunun yüzeyi küçük, tekerleklerdeki balatalara bağlanan borunun yüzeyi büyüktür. Fren pedalına basıldığında, pedala uygulanan kuvvet etkisiyle borudaki hidrolik denilen sıvıda basınç oluşur ve oluşan bu basınç bu hidrolik sayesinde balatalara iletilir. Balatalarda yüzey büyük olduğu için daha büyük bir kuvvet elde edilir ve bu kuvvet, balataları sıkıştırarak lastiklerin iç kısmına sürtünmesi sağlanır.
7. Gemi
Antik Yunan Matematikçisi Arşimet’in ortaya koyduğu ilkeye göre, sıvı ya da gaz ortam içerisinde bulunan bir cismin ağırlığı, kendi hacmine eşit hacimdeki sıvının (gazın) ağırlığı kadar azalır. Yani, bir sıvı içindeki katı cisim, taşırdığı sıvının ağırlığına eşit bir kuvvet ile yukarıya itilir. Denizaltı, Arşimet Prensibi’ne göre çalışır.
Binlerce yıl önce insanlar, yüzerlik ilkesinden yararlanarak yolculuk yapmak ve mal taşımak için ilk küçük salları ve kütükten kanoları yaptılar. Günümüzde restoranlı, oyun merkezli, yüzme havuzlu gemiler, milyonlarca ton ağırlığı ile yine aynı prensiple okyanuslar ötesine taşınıyor.
Gemilerde mümkün olan her yerde hafif malzemeler kullanılır. Buna rağmen sıkıştırıp bir araya toplanması halinde aynı malzemeler derhal batar. Bilindiği üzere yoğunluk, kütlenin hacme oranıdır ve suyun yoğunluğu 1 gr/cm3‘tür. Suyun yoğunluğundan ağır olan cisimler batar, suyun yoğunluğundan hafif olanlar yüzer ve eşit olanlar su içinde dengede kalır. Gemiler her ne kadar sudan çok daha ağır yoğunlukta materyallerden yapılmış olsa da toplam yoğunlukları sudan az olduğu için yüzebilmektedirler. Bunun nedeni, gemilerin oyuk yapısı sebebiyle içlerinde çok miktarda hava barındırmaları ve hacimlerinin geniş olmasındandır. Havanın yoğunluğu suya göre çok az olduğu için geminin toplam yoğunluğu sudan az olur ve gemi yüzer. Gemilerinde tonlarca yükü kaldırıp, su yüzeyinde taşıyabilmeleri için en alt kısımlarının hacimleri de genişletilir. Böylece, gemiler kendi ağırlıklarıyla suyun kaldırma kuvvetini dengeleyip su üstünde durabilirler.
8. Sabit Disk (Hard Disk)
Elektromanyetizma birbiriyle bağlantılı iki temel kuvvet içerir: Elektrik ve manyetizma. Manyetizma elektriğin diğer yüzüdür. Hareket halindeki elektriksel yük manyetik alanlar yaratır, manyetik alan değişimleri de elektrik akımları yaratır. Elektrik akımını bir kablo üzerinde harekete geçirdiğiniz zaman manyetik alan oluşur. Kablo metalin etrafına bobin olarak sarılırsa daha güçlü bir manyetik alan yaratılabilir. Hoparlör, bilgisayar sabit diskleri ve parçacık hızlandırıcısı gibi uygulamalarda elektromanyetik kuvvet iş başındadır.
Bilgisayarınızdaki sabit diskin tek bir görevi vardır: Programları ve verileri ihtiyacınız olana kadar saklamak. Bu donanım ilk kez 1950’lerde icat edildi. Ancak sabit (hard) ismi 1960’larda çıkan disketlerden (floppy disk) ayırt edilmesi için sonradan kullanılmaya başlandı. Sabit disk, veri depolamak amacıyla iyi cilalanmış cam ya da alüminyum bir diski kaplayan manyetik ortamla çalışır. Veriler bu manyetik ortamdaki etki alanı denilen minik çukurlara depo edilir. Elektronik kontrol aygıtları, etki alanlarını ikili kod rakamlarına çeviren (açık ya da kapalı olarak iki durumdan birini gösteren sıfırlar ya da birler) bir okuma yazma mekanizmasını çalıştırır.
9. Fiber Optik Kablo
20. yüzyılın en önemli buluşlarından biri fiber optik, yani ışık sinyallerinin verimli cam lifleri aracılığıyla taşınmasıdır. Bir tür cam bir başkasının üzerine kablo yalıtımı yaparmış gibi sarılarak, ışık dalgalarının neredeyse toplam iç yansımasını üretir. Bu kabloların tercih edilmesinin en önemli nedeni, çevresel şartların ağır olduğu, nemli, rutubetli, elektriksel alan parazitlerinin yoğun olduğu yerlerden etkilenmemesi ve her zaman stabil bir bağlantı sunmasıdır. Fiber optik kablolar, iletimi ışık hızıyla yani saniyede 300 bin km’lik hızla gerçekleştirirler.
Fiber optik kablonun her bir fiber teli saniyede milyarlarca sinyal taşıyabilir. Elektromanyetik dalgalar, bu teknolojide önemli rol oynar. Birbirleriyle doğru açı yaptıklarında titreşen ve ışık hızı ile hareket eden elektrik ve manyetik alanlardan oluşurlar. Elektromanyetik dalgaların sinyalleri ve uyarılan ses, metin, görüntü ve veri taşıyabilirler. Frekansları ne kadar yüksekse o kadar çok enerji yüklü olurlar. Gamma ve X-ışınları frekansın yüksek tarafında, mikrodalga ve radyo dalgaları düşük tarafındadır. Fiber optik hızlı ve güçlü bir teknoloji olduğu halde, uzak mesafelerde sinyaller zayıflar. Bu nedenle, belirli aralıkla sinyallerin güçlendirilmesi gerekir.
10. Güneş Paneli
1839’da Fransız fizikçi Edmond Becquerel tarafından tanımlanan fotovoltaik etki, güneş ışığının güneş enerjisi adını verdiğimiz elektriğe dönüştürülmesi sürecini ifade eder. Dönüşüm atomik düzeyde gerçekleşir. Işığa maruz bırakılan belirli türde bir materyal bir yandan fotonları, yani küçük ışık zerreciklerini soğururken, diğer yandan elektron salar. Bu elektronlar toplanarak mekanik enerji üretiminde kullanılır. Bu teknoloji 1960’larda NASA uzay programında kullanılmaya başlar.
Güneş paneli, fotovoltaik piller, fotovoltaik panel olarak da tanımlanır. Bu paneller, istenilen büyüklük ve şekilde olabilir. Tipik bir güneş panelinde fotovoltaik piller, modül (pilleri birarada tutan çerçeve), montaj donanımı, voltajı ayarlayan şarj kontrol birimi, enerji depolama aracı ve gerekli olduğunda doğru akımı alternatif akıma çeviren dönüştürücü yer alır. Güneş panellerinin çoğu güneye dönük ve sabittir. Ancak bazıları güneşi izlemelerine olanak veren küçük bir motora sahiptir. Güneş panelleri yaygınlaşmadan önce, NASA tarafından uzay araçlarına enerji sağlamakta kullanılıyordu. Bugün de hala uydulara ve Uluslararası Uzay İstasyonu’na enerji sağlıyor.
