Makineler hareketli parçalardan oluşur. Bu hareketli parçaların bir kısım yüzeyleri birbiri ile temas halindedir. Bu ise yüksek sürtünme değerlerine yol açmaktadır. Sürtünme kuvvetlerini azaltmak, yüzeylerdeki aşınmayı önlemek ve kolay hareket sağlayabilmek için yüzeyler arasında bir yağlama sıvısı kullanılır. Teknolojide kullanılan yağlama şekillerini şöyle gruplayabiliriz: Hidrodinamik yağlama, sıkıştırma film yağlaması, sınır yağlaması...

Hidrodinamik yağlama için güzel bir örnek dairevî bir yatakta dönen şafttır (Şekil 1). Şaft durgun iken iki metal yüzeyi birbiri ile direkt temastadır (Şekil 1). Şaftın dönmesi ile birlikte sıvı sürüklenerek metal yüzeyler arasına girer ve ince bir tabaka oluşturur (Şekil 1). Aradaki sıvıda oluşan yüksek basınç, yüzeylerin birbiri ile temasını önler ve kuru durumdaki 0,2 olan sürtünme katsayısı hidrodinamik yağlama ile 0,01 değerinin altına düşer.

Şaft durduğu zaman hemen yatakla temasa geçmez, çünkü yağın sıkışıp uzaklaşması için kısa bir süre gereklidir. Bu kısa süre içerisinde hareket yeniden başlarsa sürtünme katsayısı yine küçük olur. Bu olay sıkıştırma film yağlaması olarak adlandırılır.

Metal yüzeyler bir kere yağlanmış ve yağı alınmış dahi olsa, hiç yağlanmamış yüzeylere göre sürtünme katsayısı yine de düşüktür. Bunun sebebi bir yağ molekül tabakasının metale sıkıca tutunması ve metallerin direkt temasını bir miktar engellemesidir. Bu tip yağlama sınır yağlaması olarak adlandırılır. Sürtünme katsayısı bu durumda 0,05 civarındadır. Bu değer hidrodinamik yağlamanın yaklaşık beş katıdır.

Yağlama ile ilgili bu kısa teknolojik bilgiden sonra mükemmel birer teknolojik harika olan eklemlerimizdeki yağlama şeklini inceleyip mevcut teknoloji ile aralarındaki benzerlik ve farklılıklara bakalım. İnsan eklemlerinde kemikler, makinelerde olduğu gibi rijit (deforme olmayan) yüzeylere sahip değillerdir. Kemiklerin eklem kısımlarında bir kıkırdak tabakası mevcuttur. Parmak eklemlerinde bu tabakanın kalınlığı 1 veya 2 mm iken, kalça ve diz gibi nispeten büyük yüklere maruz kalan eklemlerde 5 mm'yi aşabilmektedir. Kıkırdak, kauçuk gibi elastik özelliklere sahip olup yarı şeffaf mükemmel bir dokudur. Kıkırdak doku % 20 kollagen lifler, % 5 glikoprotein ve % 75 sudan oluşur. Bu matriks içine dağılmış az miktarda canlı kıkırdak hücresi (chondrocyt) de bulunur. Kollagen bir protein olup kaslardaki kiriş ve eklem bağlarında da bulunur. Kollagen lifler kemiğe çok sağlam bir şekilde bağlanmış olup kıkırdak yüzeyine doğru yarım halka şeklinde kavislendirilmişlerdir (Şekil 2). Glikoprotein büyük bir molekül olup polysakkarıd şekerler ile proteinlerin birleşmesinden meydana gelmiştir. Glikoproteinler su tutma özelliğine sahip olup, kıkırdağın şişmesine sebep olur. Kollagen lifler ise şişmenin aşırı artmasını engeller.

Eklem boşluğu hassas bir şekilde hazırlanmış sinovial sıvı ile doldurulmuş olup terkibinde su, hyaluronic asit ve protein bulunmaktadır. Sinovial sıvının viskozitesi (akışkanlığı ve yoğunluğu) yağlamada kullanılan sıvıların viskozitesi ile aynı aralıktadır. Sıvının eklem aralığından dışarı kaçmasını bütün eklemi çevreleyen sinovial zar engeller (Şekil 2).

Ölü hayvan eklemlerinde yapılan deneyler yağlamanın çok mükemmel olduğunu göstermiştir. Canlı insan kullanılarak yapılan ilginç bir deney şöyledir. El orta parmak dik olacak şekilde masanın üzerine ters olarak konulunca, orta parmağın uca en yakın eklemi kasın kontrolünden çıkmaktadır (Şekil 3). Parmağın ucuna bir sarkaç yerleştirilerek bu eklem destek noktası olarak kullanılmıştır. Sarkacın salınım genliklerinin azalması ölçülerek eklemin sürtünme katsayısı 0,008 olarak ölçülmüştür ki, bu mühendislik hesapları açısından çok iyi bir sonuçtur. Mühendislik açısından bu kadar mükemmel bir projenin matematik hesaplarının tesadüfen, evrimle gelişeceğine ise hiç ihtimal verilemez.

Şaft yatak sistemlerinde şaft hep aynı yönde ve hızlı devir yaptığı için hidrodinamik yağlama çok verimlidir. Eklemlerimizde ise dönme hareketi hep aynı yönde olmayıp ileri geri şeklinde ve bir devirin az bir kısmını oluşturmaktadır. Bu tip hareketlerde hidrodinamik yağlama verimli olmamaktadır. Böyle hareketlerde daha önce bahsettiğimiz sınır yağlaması ikinci bir alternatif olabilir, ancak bu tip yağlamada sürtünme katsayısı nispeten yüksek olmaktadır. Deneyler eklemlerdeki sürtünme katsayısını (0,008) sınır yağlamasından (0,05), hattâ hidrodinamik yağlamadan (0,01) daha düşük göstermektedir. Üçüncü alternatif olan sıkıştırma film yağlaması, yürüme gibi aktivitelerde rol almaktadır çünkü yürüme esnasında yük zaman zaman kalkmakta, kıkırdak aralarına sıvı girmekte, yük binince bu sıvı yavaşça sıkışarak yanlara geçmektedir.

İnsan ve hayvan eklemlerindeki yağlama mekanizmasını teknolojideki üç yağlama tipi ile tam olarak açıklamak mümkün değildir. Charles McCutchen bu konu ile ilgili şöyle bir teori ortaya atmıştır: Kıkırdak bir süngere benzemektedir. Sıvıyı emmekte ve sıkıştırıldığında yavaşça çıkarmaktadır. Bu süngerimsi yapı ile birlikte yağlama sıvısının kullanılmasının teknolojide henüz örneği olmadığı için bu tip yağlamaya sızan yağlama ismi daha uygundur.

Bu tip yağlamayı denemek üzere gözenekleri arasında bağlantı olmayan kauçuk bir sünger alınmıştır. Kauçuk kesilerek gözenekler açığa çıkarılmıştır. Kesilen yüzey ile cam arasında sabunlu su yağlama sıvısı olarak kullanılmış ve sürtünme katsayısı olarak 0,003 gibi düşük bir değer elde edilmiştir. Süngerin sıkışması ve hareket etmesi durumunda gözeneklerdeki su yavaşça çıkmakta ve iki madde arasında yağlama görevi yapmaktadır. Kauçuk cama uzun süreli ve kuvvetli olarak bastırılırsa sürtünme katsayısı suyun azalması ile birlikte artmaktadır.

Kıkırdak; deneyde kullanılan gözenekli kauçuktan daha çok banyo süngerine benzemektedir. Çünkü gözenekleri irtibatlıdır. Sıkıştırıldığında sıvı sadece yüzeyler arasında değil yanlara doğru da kaçabilmektedir. Fakat gözenekler çok küçük olduğu için süngerin aksine sıvı çıkışı çok yavaş olmaktadır. Eğer kıkırdak dakikalarca yüksek kuvvete maruz kalırsa sürtünme katsayısı yükselerek sınır yağlaması değerlerine yaklaşır. Kuvvet kalktığında kıkırdak sıvıyı tekrar emer ve sürtünme katsayısı orijinal değerine düşer. Ayakta uzun süreli duruşlarda kuvveti vücudumuzun değişik eklemlerine aktarmamızın bir sebebi de, bu eklemlerdeki artan sürtünme katsayısını düşürmek olabilir. Sıvının kıkırdaktan çabuk kaçmasını önleyen bir mekanizma da yük altında kıkırdak yüzeylerinin genişlemesidir.

Eklemlerimizdeki elastikî kıkırdak yapılar ve yağlama sıvıları, bir otomobilin süspansiyon sisteminde olduğu gibi, gelen darbelerde kuvveti ve titreşimleri azaltacak şekilde yay sönüm sistemi olarak da çalışmaktadır.

Gündelik işlerimiz arasında farkında olmadan binlerce defa kullandığımız eklemlerimizin yapısında hassas mühendislik hesapları yatmaktadır. Bu tasarım olmasa idi kemiklerimiz birbirine sürtecek, her bir hareketimiz büyük acılara sebep olacaktı. Nitekim yaşlandıkça kıkırdak yüzeylerdeki pürüzlenmeler ve kısmen de çeşitli doku bozulmalarından ortaya çıkan artıklarla bu eklem sıvısının terkibinin değişmesi sonucunda birçok eklem rahatsızlıklarını görmekteyiz. Bundan sonraki hareketlerimizi bu harika mekanizmanın idraki içerisinde yapmamız temennisi ile...

Kaynak
R. McNeil Alexander, The Human Machine, Columbia University Press, 1992.

http://www.sizinti.com.tr/konular/01/ekim/eklem.html ‘den alınmıştır.

Doç.Dr. M. Sami Polatöz
İstanbul - 13.01.2004
http://gulizk.com