سال لعابه: لا يمكن للفيزياء أن تساعد في محاربة "تأثير إبريق الشاي" المزعج

يعرف من يشربون الشاي جيدًا أن القطرات المزعجة من غلاية الغلاية التي تحدث غالبًا عندما يصب المرء فنجانًا لطيفًا منعشًا. يُعرف باسم "تأثير إبريق الشاي" ، ويحدث هذا عادةً عند سكب الشاي ببطء شديد. عادة ما يصمم الخزافون الأواني الخاصة بهم - مما يعطي صنبورًا شفة رقيقة ، على سبيل المثال - لتقليل احتمالية المراوغة ، استنادًا إلى قرون من المعرفة المتراكمة المستمدة من التجربة والخطأ.

لقد توصلت مجموعة من علماء الفيزياء الهولنديين الآن إلى نموذج كمي للتنبؤ بدقة بمعدل التدفق الدقيق لمقدار (أو كم هو قليل) إبريق الشاي الذي يتدفق أثناء صبه ، كما هو موضح في بحث حديث في دورية Physical Review Letters. يصف النموذج بدقة كل من تأثير إبريق الشاي البسيط والسلوكيات الأكثر تعقيدًا - خاصةً ، تشكيل اللولب كدفق مائي يحوم حول الأسطوانة. يجب أن يكون هذا بمثابة نعمة ليس فقط لتصميم إبريق الشاي ، ولكن للطباعة ثلاثية الأبعاد والتطبيقات الصناعية المماثلة ، والتي تعاني أيضًا من المراوغة غير المريحة.

لطالما افتتن الفيزيائيون بهذه الظاهرة. مرة أخرى ، استذكر المهندس الراحل في جامعة ستانفورد وعالم الرياضيات جوزيف بي كيلر حضور محاضرة لعالم إسرائيلي ذكر أنه طرح سؤالًا عن سبب تناقص أقداح الشاي إلى 100 عالم فيزيائي. اعتقد الجميع أنه يجب أن يكون بسبب التوتر السطحي ، ولكن عندما أجرى العالم الإسرائيلي تجارب لاختبار تلك النظرية ، ثبت أن هذا ليس هو الحال.

مفتون ، قام كيلر بالتحقيق الخاص به وخلص إلى أن التقطر كان في الواقع بسبب ضغط الهواء. قام هو وزميله ، جان مارك فاندين بروك ، بنشر ورقة في عام 1986 - حصل عليها على جائزة Ig Nobel في عام 2012. "إنه ببساطة الضغط الشائع في السائل أقل من الضغط في وقال كيلر لصحيفة اتسي جورنال في عام 2013 (توفي في عام 2016). "لذلك ضغط الهواء يدفع الشاي ضد الشفة وضد خارج صنبور".

في المصطلحات الفيزيائية ، بمعدلات تدفق أعلى ، تنفصل طبقة المائع الأقرب من صنبور إبريق الشاي بحيث تتدفق بسلاسة ولا تنقط. عند انخفاض معدلات التدفق ، عندما يحدث فصل التدفق ، يتم إعادة ربطه بسطح الفاصل ، مما يؤدي إلى تدفق المراوغة.

قطر الفتحة ، وانحناء الشفة ، و "قابلية التبلل" (تفضيل السائل أن يكون ملامسًا لمادة صلبة محاطة بسائل آخر) مهما كانت المادة التي يتكون منها إبريق الشاي ، هي أيضًا عوامل يمكن أن تؤثر على ما إذا كان أو لم يكن تقطر غلاية. لكنها ليست السبب الرئيسي. في ورقة 2010 ، أوضح فريق من علماء الفيزياء الفرنسيين من جامعة ليون أن السبب الحقيقي للربلة هو نوع من "تأثير الشعرية المائية" الذي يمنع (بسرعات أبطأ) السائل من الانفصال عن صنبور التدفق السلس والنظيف. تلعب جميع العوامل الأخرى دورًا في تحديد مدى قوة تأثير الشعر المائي.

كما هو الحال في كثير من الأحيان ، نشأت هذه الدراسة الأخيرة من عالم فضولي يلاحظ شيئًا غريبًا ويحاول اكتشاف تفسير. كان إتيان جامبون-بيليت ، وهو طالب دراسات عليا في جامعة أمستردام ، يقوم بتنظيف المحاقن بزجاجة بخاخ في المختبر في يوم من الأيام وكان مفتونًا بكيفية سائل الملفوف حول الإبرة الأسطوانية لتشكيل نوع من بنية اللولب. وقال لصحيفة فيزياء باز: "كنت أرى [مجرى الإيثانول] يحوم حول الإبرة ، وكنت مثل ،" أوه ، هذا رائع ".

لم تضف نظرة سريعة على أدبيات الفيزياء الحالية أي نماذج قابلة للحياة لتفسير هذه الظاهرة ، لذلك قرر أن يقوم "بتجربة مناسبة". وقام بتجنيد زملاء في جامعات أمستردام وتوينتي وساكسوني للمساعدة. أقاموا سلسلة من الاسطوانات العمودية (مجموعة واحدة مصنوعة من الزجاج ، والآخر من تفلون) واطلقت عليهم نفاثات من المياه المصبوغة عليهم ، وأخذوا لقطات فيديو عن كيفية تصرف السائل بمعدلات تدفق متفاوتة.

وجدوا أن نفثات الماء أبقت على مسار مستقيم بمعدلات تدفق عالية ، ومع انخفاض هذا المعدل ، بدأت المياه تنحرف قليلاً. عند انخفاض معدلات التدفق ، بدأ الماء في اللف و "التشبث" بالسطح الأسطواني قبل أن يتدفق حوله ليشكل حلزون يشبه الإيثانول حول الإبرة في ذلك اليوم في مختبر جامبون-بيليت. على ما يبدو ، إنه بسبب الاقتران بين الشفط الهيدروديناميكي والترطيب.

في الفيزياء الطنانة:

الشفط الهيدروديناميكي هو نفس التأثير الذي يبقي طائرة في السماء أو كرة تحوم فوق منفاخ أوراق. [يظهر] حيث يحاول السائل - الذي يمكن أن يكون إما غازًا أو سائلًا - تجاوز سطحه المنحني في تدفق صفحي (خط مستقيم) ؛ تقاطع انحناء المادة الصلبة التدفق وتخلق انخفاضًا في الضغط يمتص السائل. يبدأ الركل في اللحظة التي يواجه فيها التيار سطح الأسطوانة بينما تتفاعل الجزيئات الموجودة على الحواف الخارجية للتيار مع المادة الصلبة ، على نحو مشابه لكيفية تشكل الماء هلالة في أنبوب الاختبار. إنها مزيج من هذه القوة والشفط الهيدروديناميكي الذي يبقي السائل مرتبطًا بالأسطوانة أثناء دورانها لأسفل.

يتنبأ طرازهم الجديد بدقة عند حدوث هذا الانتقال الحاسم إلى "الالتصاق" ، بدلاً من الانفصال ، عن سطح صلب مثل الاسطوانة (أو صنبور الشاي).

DOI: خطابات المراجعة البدنية، 2019. 10.1103 / PhysRevLett.122.184501 (حول DOIs).

شاهد الفيديو: عشبة مفيدة لعلاج التوحد عند الأطفال. طب الأعشاب (أبريل 2020).