حلّ العلماء أخيرًا لغزًا مثيرًا في ميكانيكا السوائل! 🤔
قبل سبع سنوات، وثّق باحثون من جامعة كاليفورنيا، سانتا باربرا، ظاهرة غريبة: بركة من الصبغة الحمراء، “عرفت” كيف تحلّ لغزًا مليئًا بالحليب! 🥛
دفعتها قطرتان من الصّابون للأمام، ووجدت طريقها بدقة، متجنبة الطرق المسدودة، وحتى اتخذت منعطفات بزاوية ٩٠ درجة في مسارها نحو المخرج! 🗺️
ما بدأ كعرض يُظهر تعقيد أنظمة السوائل، تحوّل إلى عمل فني في معرض حركة السوائل التابع للجمعية الفيزيائية الأمريكية، وأخيراً إلى لغز حلّه العلماء للتو! ✨
نُشِرَ البحث الجديد في مجلة الرسائل الفيزيائية المُراجعة.
يقول باولو لوتساتو-فيجيز، أستاذ مساعد للهندسة الميكانيكية: “لقد ابتكرنا هذا التجربة لأننا كنا نجد صعوبة في إقناع الناس بحدوث تأثيرات معينة لمشكلة تخفيض السحب”.
وأضاف: “كان لدينا فرضية حول كيفية عمل هذا، و يعمل هذا المقال بالفعل على وضع نموذج رياضي لهذا الظاهرة”.
ركزت مجموعة البحث، التي ضمت باحثين من جامعة برينستون، وجامعة مانشستر في المملكة المتحدة، وجامعة رين في فرنسا، على القدرة الغريبة للصبغة على “اختيار” الاتجاه الصحيح! 🤔 في حين أن الحدس يشير إلى تشتتٍ عشوائي، فإنه لم يكن كذلك.
تلعب التوتر السطحي -الالتصاق الذي يُجبر جزيئات السائل على السطح للالتقاء معًا وتصرف كغشاء، مُقاومةً للقوى الخارجية- دورًا كبيرًا في هذه التجربة التي أجريت على الصبغة والحليب. يُقلل الصابون -وهو عامل سطح، أو مادة تُقلل التوتر السطحي- من التوتر المحلي حول الصبغة، مُحدثًا الحركة. ومع ذلك، وفقًا لحسابات الباحثين، فإن وجود عوامل سطحية موجودة بالفعل في الحليب هو ما يساعد الخليط على حلّ المتاهة! 🧪
يقول لوتساتو-فيجيز: “إنّ عامل السطح المُضاف والعامل السطحي الموجود مسبقًا ينتهيان بالعمل معًا!”
يُنشئ المُنَظِّمُ المُنْتَجُ داخليًا المُوجود بالفعل في الحليب مناظرًا من المقاومات المتفاوتة التي تُعارض الصبغة والصابون أثناء تحرك الخليط عبر هذه المتاهة، كما يُوضِّح.
وفقًا للباحثين، تُعارض الزوايا المسدودة والمساحات الصغيرة بقوة أكبر، بينما تُقدِّم المسار ذو أكبر مساحة سطحية، والذي يُصادف أنه المسار المؤدي إلى الخروج، مسارًا أقل مقاومة. 👍
“هذا يعني أن المُنَظِّم المُضاف يعرف على الفور تخطيط المتاهة”، يقول لوتساتو-فيجيز.
يكمِّل هذا العمل الدراسات السابقة للقوى التي تُحَرِّك حركة الحبر/الصّابون. يُسمى تأثير مارانغوني، وهو ما يحدث عندما يكون هناك تدرُّج في التوتر السطحي، مثل ذلك الذي يُدخله المُنَظِّم المُضاف، مما ينتج عنه سحب السائل من مناطق منخفضة التوتر السطحي إلى مناطق عالية التوتر السطحي.
هذا الاكتشاف يمكن أن يكون له تطبيقاتٍ مهمة في مجالاتٍ مختلفة، مثل توصيل الأدوية أو نقل السوائل في الأنظمة المعقدة! 🚀
المصدر: جامعة كاليفورنيا، سانتا باربارا