گشودن رازهای آخرین قطره: فیزیکدانان براون زمان تخلیه مایعات را محاسبه می‌کنند

Global - خبرگزاری اخباری

گشودن رازهای آخرین قطره: فیزیکدانان براون زمان تخلیه مایعات را محاسبه می‌کنند

ناامیدی جهانی از انتظار برای اینکه آخرین قطره سرسخت شربت، روغن زیتون یا حتی صابون بالاخره از ظرف خود خارج شود، پدیده‌ای به طرز شگفت‌آوری پیچیده است. این آزمون رایج صبر، صرفاً یک آزار نیست، بلکه پیامد مستقیمی از دینامیک سیالات پیچیده‌ای است که در جریان است. اکنون، به لطف تحقیقات پیشگامانه فیزیکدانان دانشگاه براون، روزهای صرفاً حدس زدن اینکه چقدر طول می‌کشد تا یک بطری سس کچاپ به طور کامل خالی شود، می‌تواند به پایان برسد، مشروط بر اینکه فرد درک درستی از اصول ریاضی زیربنایی داشته باشد.

دکتر جی تانگ و توماس دوتا، همکاران نویسنده یک مطالعه مهم که اخیراً در مجله معتبر Physics of Fluids منتشر شده است، عمیقاً به مکانیک حاکم بر این جریان‌های مایعات روزمره پرداخته‌اند. کار آنها نقش حیاتی معادلات ناویر-استوکس را برجسته می‌کند، مجموعه‌ای از معادلات دیفرانسیل جزئی که حرکت مواد سیال چسبناک را توصیف می‌کنند. این فرمول‌های بنیادی از اصول بقای جرم برای نشان دادن چگونگی حرکت سیالات تحت نیروهای مختلف بهره می‌برند و اساساً قانون دوم حرکت نیوتن – که در آن نیرو برابر با جرم ضربدر شتاب است – را بر مایعات اعمال می‌کنند.

در حالی که تحقیقات اصلی دکتر تانگ اغلب بر بیوفیزیک باکتری‌ها متمرکز است و چگونگی رشد و رفتار این میکروارگانیسم‌ها بر روی سطوح مرطوب را بررسی می‌کند، او به کاربرد عملی مطالعه دینامیک سیالات در زمینه‌های قابل دسترس‌تر پی برد. الهام بخش این مطالعه خاص، همانطور که دکتر دوتا روایت کرد، از مشاهده تلاش‌های مداوم مادربزرگش برای استخراج آخرین قطرات از کارتن‌ها و ظروف مختلف آشپزخانه نشأت گرفته است. دکتر تانگ نیز ارتباطی شخصی پیدا کرد و اغلب با چالش تمیز کردن کامل تابه ووک چدنی خود دست و پنجه نرم می‌کرد.

دکتر دوتا توضیح داد: "در هر دو مورد، فیزیک مرتبط شامل جریان لایه‌های نازک مایع روی یک سطح است. این فیزیک در تمام تحقیقات عادی ما نیز وجود دارد، بنابراین ما تصمیم گرفتیم که این یک تمرین آموزشی خوب خواهد بود." و ماهیت بین رشته‌ای و اهمیت بنیادی این تحقیق را حتی برای کارهای به ظاهر پیش پا افتاده تأکید کرد.

تیم تحقیقاتی با دقت بر روی آنچه که در معادلات ناویر-استوکس به عنوان "رژیم ویسکوز" شناخته می‌شود، تمرکز کردند. این حوزه خاص از مطالعه، حرکت یک مایع را زمانی که جریان آن عمدتاً توسط اصطکاک داخلی، که به عنوان گرانروی شناخته می‌شود، تعیین می‌شود، روشن می‌کند. دکتر دوتا به طرز مبتکرانه‌ای از این معادلات برای پیش‌بینی مدت زمان لازم برای حرکت سیالات با گرانروی‌های مختلف در امتداد یک سطح شیب‌دار به پایین استفاده کرد. برای اعتبار سنجی مدل‌های نظری خود، آنها مجموعه‌ای از آزمایش‌های عملی را انجام دادند. مایعاتی مانند آب، شیر کامل، کره شفاف شده (گی) و روغن زیتون با دقت روی یک صفحه که با زاویه دقیق 45 درجه کج شده بود، ریخته شدند. سپس مایعات در حین سرازیر شدن از صفحه وزن شدند تا زمانی که 90 درصد قابل توجهی از حجم اولیه سطح را ترک کرده بود.

هم‌افزایی بین محاسبات نظری تیم و نتایج تجربی قابل توجه بود و فرضیه ای را به شدت تأیید کرد که گرانروی عامل اصلی در تعیین زمان تخلیه است. آب با گرانروی کم خود، در عرض چند ثانیه به علامت 90 درصد تخلیه رسید. در مقابل، شربت افرا سرد، مایعی بسیار چسبناک‌تر، ممکن بود چندین ساعت طول بکشد تا به همان آستانه برسد. با وجود قدرت پیش‌بینی مدل‌هایشان، فیزیکدانان اعتراف کردند که درس‌های جدیدی از کاربرد عملی کار خود آموخته‌اند.

دکتر تانگ با تأمل در تجربه شخصی خود با ووک، اعتراف کرد: "من شگفت‌زده و در واقع کمی ناامید شدم. من معمولاً فقط یک یا دو دقیقه صبر می‌کنم، اما معلوم شد که باید خیلی صبورتر باشم." روال او شامل گذاشتن ووک خود پس از تمیز کردن برای تخلیه مایع باقیمانده است، از خشک کردن با پارچه برای حفظ طعم روغن و به حداقل رساندن زنگ‌زدگی خودداری می‌کند. با این حال، انتظار اولیه او برای "چند دقیقه" ناکافی بود. بر اساس محاسبات دقیق و اعتبارسنجی‌های تجربی مطالعه، دکتر تانگ از نظر فنی باید 15 دقیقه کامل صبر کند قبل از انجام شیب دوم حیاتی برای اطمینان از تخلیه بهینه.

فراتر از کاربرد فوری آن برای کارایی آشپزخانه و روال‌های تمیزکاری، پیامدهای معادلات تیم بسیار فراتر از اهداف علمی اصلی آنها گسترش می‌یابد. دکتر تانگ و دوتا اکنون آماده‌اند تا از این محاسبات دقیق برای پیشبرد قابل توجه تحقیقات جاری خود در دینامیک باکتری‌ها استفاده کنند. درک چگونگی رفتار لایه‌های نازک سیال بر روی سطوح برای درک حرکت، رشد و تعامل باکتری‌ها در محیط‌های مختلف بسیار مهم است.

دکتر تانگ بار دیگر تأکید کرد: "علاوه بر جنبه آموزشی، این فیزیک در تمام تحقیقات اصلی ما وجود دارد. تصادفی است که این فیزیک روزمره مایعات آشپزخانه نیز هست." او تأکید کرد که چگونه مشاهدات به ظاهر ساده و روزمره می‌توانند بینش‌های عمیقی را ارائه دهند که تحقیقات علمی پیچیده را زیربنا قرار می‌دهند. این تحقیق به عنوان یادآوری قانع‌کننده‌ای عمل می‌کند که اصول اساسی حاکم بر جهان اغلب در رایج‌ترین سناریوها قابل مشاهده هستند و شکاف بین نظریه آکادمیک و زندگی عملی را پر می‌کنند.

خبرگزاری اخباری