فك لغز القطرة الأخيرة: علماء فيزياء براون يحسبون أوقات تصريف السوائل

Global - وكالة أنباء إخباري

فك لغز القطرة الأخيرة: علماء فيزياء براون يحسبون أوقات تصريف السوائل

الإحباط العالمي المتمثل في انتظار تلك القطرة العنيدة الأخيرة من الشراب أو زيت الزيتون أو حتى الصابون لتنساب أخيرًا من وعائها هو ظاهرة معقدة بشكل مدهش. هذا الاختبار الشائع للصبر ليس مجرد إزعاج ولكنه نتيجة مباشرة لديناميكيات السوائل المعقدة التي تعمل. الآن، بفضل الأبحاث الرائدة من علماء الفيزياء في جامعة براون، قد تكون أيام مجرد تخمين المدة التي قد يستغرقها إفراغ زجاجة الكاتشب تمامًا قد انتهت، بشرط أن يكون لدى المرء فهم للمبادئ الرياضية الأساسية.

الدكتوران جاي تانغ وتوماس دوتا، المؤلفان المشاركان لدراسة محورية نُشرت مؤخرًا في مجلة فيزياء السوائل المرموقة، تعمقا في الميكانيكا التي تحكم تدفقات السوائل اليومية هذه. يسلط عملهما الضوء على الدور الحاسم لمعادلات نافييه-ستوكس، وهي مجموعة من المعادلات التفاضلية الجزئية التي تصف حركة المواد السائلة اللزجة. تستفيد هذه الصيغ الأساسية من مبادئ حفظ الكتلة لتوضيح كيفية تحرك السوائل تحت قوى مختلفة، وتطبيق قانون نيوتن الثاني للحركة - حيث القوة تساوي الكتلة مضروبة في التسارع - على السوائل بشكل أساسي.

بينما يتركز بحث الدكتور تانغ الأساسي غالبًا على الفيزياء الحيوية للبكتيريا، واستكشاف كيفية ازدهار هذه الكائنات الدقيقة وسلوكها على الأسطح الرطبة، فقد أدرك الفائدة العملية لدراسة ديناميكيات السوائل في سياقات أكثر سهولة. الإلهام لهذه الدراسة بالذات، كما روى الدكتور دوتا، جاء من ملاحظة جهود جدته المستمرة لاستخراج آخر القطرات من علب وحاويات المطبخ المختلفة. كما وجد الدكتور تانغ رابطًا شخصيًا، حيث كان غالبًا ما يواجه تحدي تنظيف مقلاة الووك المصنوعة من الحديد الزهر بشكل كامل.

وأوضح الدكتور دوتا: "في كلتا الحالتين، تتضمن الفيزياء ذات الصلة تدفق طبقات رقيقة من السوائل على سطح. هذه الفيزياء موجودة في كل مكان في بحثنا المنتظم أيضًا، لذلك قررنا أن هذه ستكون تمرينًا تدريبيًا لطيفًا"، مؤكدًا الطبيعة متعددة التخصصات والأهمية الأساسية لهذا البحث حتى للمهام التي تبدو عادية.

ركز فريق البحث بدقة على ما يسمى "النظام اللزج" ضمن معادلات نافييه-ستوكس. يوضح هذا المجال المحدد من الدراسة حركة السائل عندما يحكم تدفقه بشكل أساسي الاحتكاك الداخلي، وهي خاصية تُعرف باسم اللزوجة. استخدم الدكتور دوتا ببراعة هذه المعادلات للتنبؤ بالمدة المطلوبة للسوائل ذات اللزوجات المختلفة لاجتياز سطح مائل إلى الأسفل. للتحقق من صحة نماذجهم النظرية، أجروا سلسلة من التجارب العملية. تم سكب سوائل مثل الماء، والحليب الكامل، والزبدة المصفاة (السمن)، وزيت الزيتون بعناية فوق لوح مائل بزاوية 45 درجة بالضبط. ثم تم وزن السوائل أثناء تدفقها من اللوح حتى غادر 90 بالمائة من الحجم الأولي السطح.

كان التآزر بين الحسابات النظرية للفريق والنتائج التجريبية رائعًا، حيث دعم بقوة الفرضية القائلة بأن اللزوجة هي العامل الأهم في تحديد وقت التصريف. وصل الماء، ب viscosity المنخفضة، إلى علامة 90 بالمائة من التصريف في ثوانٍ معدودة. في المقابل، يمكن أن يستغرق شراب القيقب البارد، وهو سائل أكثر لزوجة بكثير، عدة ساعات للوصول إلى نفس العتبة. على الرغم من القوة التنبؤية لنماذجهم، اعترف علماء الفيزياء بتعلم دروس جديدة من التطبيق العملي لعملهم.

اعترف الدكتور تانغ، وهو يفكر في تجربته الشخصية مع مقلاة الووك الخاصة به: "لقد فوجئت وشعرت بخيبة أمل بعض الشيء. عادةً ما أنتظر دقيقة أو دقيقتين فقط، ولكن تبين أنني بحاجة إلى أن أكون أكثر صبرًا بكثير". تتضمن روتينه ترك مقلاة الووك الخاصة به بعد التنظيف للسماح للسائل المتبقي بالتصريف، وتجنب التجفيف بالقماش للحفاظ على تتبيل الزيت وتقليل الصدأ. ومع ذلك، تبين أن انتظاره الأولي "بضع دقائق" غير كافٍ. بناءً على حسابات الدراسة الدقيقة والتحققات التجريبية، يحتاج الدكتور تانغ من الناحية الفنية إلى الانتظار 15 دقيقة كاملة قبل إجراء الإمالة الثانية الحاسمة لضمان التصريف الأمثل.

بالإضافة إلى فائدتها المباشرة لكفاءة المطبخ وروتين التنظيف، تمتد تداعيات معادلات الفريق بعيدًا في مساعيهم العلمية الأساسية. يستعد الدكتوران تانغ ودوتا الآن للاستفادة من هذه الحسابات الدقيقة لتعزيز بحثهما المستمر في ديناميكيات البكتيريا بشكل كبير. فهم كيفية سلوك الطبقات الرقيقة من السوائل على الأسطح أمر بالغ الأهمية لفهم حركة البكتيريا ونموها وتفاعلها داخل بيئات مختلفة.

كرر الدكتور تانغ قائلاً: "إلى جانب الجانب التدريبي، هذه الفيزياء موجودة في كل مكان في بحثنا الرئيسي. لقد حدث أن تكون أيضًا فيزياء السوائل اليومية للمطبخ"، مؤكدًا كيف يمكن للملاحظات اليومية البسيطة أن توفر رؤى عميقة تدعم التحقيقات العلمية المعقدة. يمثل هذا البحث تذكيرًا مقنعًا بأن المبادئ الأساسية التي تحكم الكون غالبًا ما تكون قابلة للملاحظة في أكثر السيناريوهات شيوعًا، مما يسد الفجوة بين النظرية الأكاديمية والحياة العملية.

وكالة أنباء إخباري