• فقاعة - حبر اون لاين

وأخيراً.. وجد علماء الرّياضيّات الصّيغة الأفضل لـ ” فقاعة ” الصّابون المثاليّة

جميعنا عندما كنّا أطفالاً تعاملنا مع تلك الأشياء الّتي لا تصدّق، متعة بسيطة تأتي من مشاهدة فقاعة أو أكثر منتفخة بطبقة رقيقة جدّاً من السّائل في الهواء قبل أن تنفجر.

كان الأمر يبدو غامضاً كالسّحر عندما كنّا صغاراً، ولكن اتّضح أنّ الغموض وراء كيفيّة عمل الفقاعات ليس واضحاً تماماً للبالغين. فما هي الصّيغة الّتي تفصل بين صنع الفقاعات الجيّدة والفقاعات السّيئّة؟

قرّر فريق من علماء الرياضيات في جامعة نيويورك خوض مهمّة شاقّة للغاية لحلّ هذا الغموض، ونتائجهم المنشورة في العدد الأخير من physical review letters  تقرّبنا من فهم كيفيّة نفخ الفقاعة الجيّدة.

ولكن لنوضّح أوّلاً أنّ الأمر لم يكن لمجرّد أنّه على الفريق اكتشاف كيفيّة تشكّل الفقاعة المثاليّة لإلهام جيلٍ جديد من نافخي الفقاعات المحترفين.

فوفقاً لما ذكره ليف ريستروف، وهو عالم رياضيّات في جامعة نيويورك ومؤلّف مشارك في البحث، بأنّ فكرة الدّراسة نشأت من الرّغبة في معرفة المزيد عن تفاعلات بنية السّائل:

حيث يتأثّر كائن (ويكون هنا كائناً مصنوعاً من طبقة سائل رقيقة) بالتّغيّرات في السّائل المتدفّق الخارجي (أي الرّياح النّاتجة عن النّفخ).

وفي الواقع هناك أسباب ذات صلة لدراسة نفخ الفقاعة. يقول ريستروف:

“إنّها منطقة بحث ضخمة.” “لقد درسنا أشياء مثل لماذا يرفرف العلم في الهواء، وكيف يمكن إعادة تشكيل الطّين أو بعض المواد المتآكلة عن طريق المياه المتدفّقة.

وأردنا دراسة المشكلة المهمّة المتعلّقة بتفاعل الطّبقات السّائلة الرّقيقة مع التّدفّقات، وماهي المشكلة الأهم من نفخ الفقاعات للبدء بها! “

من الصّعب التّحكّم وقياس ومراقبة تحرّك الفقاعات في الهواء، ولتجاوز هذه التّعقيدات أدرك الفريق بسرعة أنّه يجب عليهم إنشاء فقاعات وتخيّل تحرّكاتهم تحت الماء في وسط سكون التّحكّم به سهلاً.

لذا قاموا بتصنيع طبقات رقيقة في الماء بالزّيوت الشّائعة (مثل زيت الزيّتون) وإقحام تدفّق المياه لتشكيل فقاعات باستخدام حلقة سلكيّة؛ أي أنّ فقاعة الزّيت بدلاً من طبقة الصّابون الرّقيقة، والماء ينوب عن الهواء.

“كلّ تجربة جيّدة تتضمّن عملاً جيّداً” ، يقول ريستوفر.

حدّد ريستوفر وزملاؤه من خلال عدد من التّجارب والملاحظات المختلفة طريقتين لتمدّد الطّبقات السّائلة ونموّها وانتفاخها مشكلة فقاعة.

وكانت “إحدى الطّرق هي أن تنفجر وهي في حالة استقرار، لكنّ الرّياح السّريعة تسبّب ببساطة ضغوطات ديناميكيّة للتّغلّب على ضغط سطح الطّبقة الرّقيقة الّتي تريد جعلها مستقرّة ” كما قال.

هذا يعني أنّ نفخ الطّبقة بثبات أو تحريك العصا (الحلقة) في الهواء بسرعة يسمح بتشكل فقاعة واستقرارها.

والطّريقة الثّانية كما يقول “هي أن تهبّ الرّياح بلطف على الطّبقة الرّقيقة الّتي نُفخت

ويمكن تحقيق ذلك عن طريق نفث هواء حادّ يساعد على إخراج الفقاعة من العصا حتى بعد انحسار الرّياح.

إنّ سرعة الرّياح المثالية تتوقّف في الواقع على مدى حجم الفقاعة الّتي تستخدمها.

طوّر ريستروف وزملاؤه صيغة رياضيّة لما يشكّل سرعة الرّيح المثلى لنفخ فقاعة، فعلى افتراض أنّ الهواء يهبّ بشكل عمودي على الطّبقة الرّقيقة :

 سرعة الرّياح، وغاما هو معامل U حيث أنّ U = √(5.6 x gamma / rho * R)

 كثافةrho  هو نصف قطر الفقاعة، وR التّوتّر السّطحي بين السّائلين المتّصلين والسّوائل.

يقول ريستروف: “تتطلّب الحلقات الأكبر حجماً سرعات أصغر، مقابل ذلك فإنّه من السّهل انفجار الفقاعة كبيرة الحجم “.

ويقدّم سيناريو نموذجي لطفل يقوم بنفخ فقاعات نموذجيّة في وسط ملائم:

عصا الفقاعة (الحلقة) على شكل دائرة نصف قطرها 1 سم، غاما كـ 1.2 * 10 -3 غرام\سم للهواء –  rho بنسبة 25 داين لكلّ سم من السّائل، ونحصل على سرعة مثالية للرّيح من 340 سم في الثّانية، أو حوالي 8 أميال في السّاعة.

وبالمقابل فإنّ متوسّط قوّة الزّفير أو العُطاس عند الإنسان تبلغ حوالي 39 ميلاً في السّاعة (وقد تمّ تسجيلها بأقصى سرعة تزيد عن 100 ميل في السّاعة)، في حين أنّ نفخ الهواء عمليّة مختلفة فإنّ سرعة 8 ميل في السّاعة هي بالتّأكيد ممكنة حتّى بالنّسبة للطّفل.

وعلى الرّغم من أنّ الدّراسة قامت بفحص فقاعات الزّيت في الماء إلّا أنّ ريستوفر أكّد أنّ النّتائج تنطبق على أيّ وسيط سائل يمكن تصنيعه في طبقة رقيقة داخل غاز أو سائل آخر.

ويقول: “إنّ المكوّن الرّئيسي لصناعة الطّبقات الرّقيقة هو مادّة خافضة للتّوتّر السّطحي، وهي مادّة كيميائيّة مضافة إلى سائل الطّبقات الرّقيقة الّذي يساعد على جعلها أكثر ثباتاً كفقاعة والصّابون نفسه يلعب هذا الدّور في طبقات الصّابون المعتادة”.

ويعتمد فريق البحث على أنّ النّتائج الّتي وضعت في نهايتها صيغة رياضيّة لأفضل فقاعة تخدم تفاعلات أكبر لطريقة صنع بعض المواد في العالم

ويقول ريستوفر: “الطّبقات الرّقيقة هي مواد تصدر بشكل غريب عند الضّغط عليها مع زيادة سرعة التّدفّق، ولا تتمزّق الطّبقات حتّى قبل أن تصبح فقاعة، ولكنّها فيما بعد تتمزّق بوقت واحد “.

يأمل ريستوفر وزملاؤه باستخدام هذا المفهوم الجديد لهذه العمليّة في ابتكار نافخات أكثر كفاءة، مثل آلات التّحويل إلى مستحلب، والرّغاوي للاستخدام الصّناعي والتّجاري.

“فهذه العمليّة ضروريّة للعديد من المنتجات الّتي نستخدمها كلّ يوم، وكلّها مصنوعة من خلال ضخّ أحد السّوائل إلى آخر لصنع العديد من الفقاعات أو القطرات الصّغيرة”.

أمّا بالنّسبة للباقين فإنّ الطّريقة الأكثر ملاءمة لفهم النّتائج الجديدة هي توصيل بعض الأرقام في الصّيغة والبدء بنفخ الفقاعات”.

ولا توجد طريقة عمليّة لقياس مدى سرعة قوّتك في حلقتك، ولكن هذا لا يمنعك من محاولة الوصول إلى سرعة الرّياح المثاليّة.

****

رابط المقال الأصلي: هنا

****

ترجمة: ديمة غبّاش.

تدقيق لغوي: نور رجب.

تصميم غرافيك: فريق حبر غرافيك.

****

واقرأ أيضاً في حبر علوم:

DNA المضيء ودوره في الكشف عن البروتين السّكّري!

كيف تستخدم طريقة الأباكوس “المعداد” لتعليم الرّياضيّات للأطفال؟ الجزء 2

كيف تستخدم طريقة الأباكوس “المعداد” لتعليم الرّياضيّات للأطفال؟ الجزء 1

Terracotta Screens .. تقنية جديدة تخلق خمسة أبنية خياليّة

أروع مزيج .. خليط من سحر العمارة مع متعة التّسوّق

ما لا تعرفه عن الكاسرات الشّمسيّة

تقنيات حديثة للاستفادة القصوى من ضوء الشّمس في الإنارة

****

تابع حبرنا عبر

twitter    instagram   facebook

لا يوجد تعليقات

    استمتع بهذه المدونة؟ يرجى نشر الكلمة

    Follow by Email
    Facebook
    Instagram