حل یک معمای شیرین توسط دو فیزیکدان ایرانی

ايران اكونوميست :یک نظریه جدید به همراه نتایج آزمایشگاهی که اخیرا با مشارکت پژوهشگرانی از کشورمان ارائه شده است، توضیح می‌دهد که چرا باریکه‌ای از عسل که از قاشق می‌چکد می‌تواند بدون بریده شدن، این چنین کشیده شود.

کد خبر: ۱۸۳۲۲

تاریخ: ۰۴ ارديبهشت ۱۳۹۲ - ۰۵:۲۰

به گزارش ایسنا به‌هنگام برداشتن عسل با قاشق از یک ظرف، باریکه‌ بلند و پیوسته‌ای از عسل ایجاد می ‌شود، اما پژوهشگران تاکنون درنیافته‌ بودند که چرا رشته‌های باریک از یک شاره وشکسان بدون گسسته شدن، این چنین کشیده و طولانی می‌شود.

در نشریه Physical Review Letters، یک گروه تحقیقاتی این معما را با کمک آزمایش با باریکه‌های روغن سیلیکون و به‌صورت نظری توضیح می‌دهند. آنها دریافته‌اند که هر چند گرانروی بر حرکات بزرگ‌مقیاس شاره‌ی در حال سقوط تأثیر زیادی ندارد، ولی در عوض بر نحوه‌ی شکل‌گیری و رشد امواج تصادفی که منتهی به گسیختگی رشته‌ی شاره می‌شود موثر هستند.

نتایج این پژوهش می‌تواند در فرآیندهای صنعتی که با ایجاد رشته‌های باریک و طولانی از شاره‌های وشکسان سر و کار دارند، مانند نحوه ایجاد فیبر نوری، مفید واقع شود.

قطره قطره شدن رشته‌های شاره از اواخر قرن نوزدهم مورد توجه و مطالعه قرار گرفته است.

ژوزف پلاتو بلژیکی و لرد ریلی انگلیسی، فهمیده بودند که کشش سطحی شاره می‌تواند با رشد آشفتگی‌هایی در راستای شعاعی ستون شاره باعث قطره قطره شدن باریکه شاره شود. ولی این مساله به‌صورت معما باقی مانده بود که در سقوط رشته‌های شاره وشکسان چرا قطره قطره شدن با تاخیر زیادی صورت می‌گیرد؛ به‌هنگام جاری شدن باریکه‌ی آب از شیر، تقریبا بعد از 10 سانتی‌متر باریکه قطره قطره می‌شود، این در حالی است که در مورد رشته باریک عسل این طول می‌تواند به حدود 10 متر برسد!

همچنان‌که رشته شاره سقوط می‌کند، در اثر وزن خود کش می‌آید و باریک می‌شود و این کشیده شدن در برابر رشد آشفتگی‌های به وجود آمده در راستای شعاعی (ناپایداری ریلی- پلاتئو) که منجر به قطره قطره شدن می‌شوند، مقاومت می‌کند. با توجه به نظریات پیشین، فرایند کشیده شدن و قطره قطره شدن عموماً تحت جاذبه بوده و گرانروی سیال بر آن بی‌تأثیر است. از این‌رو طولی که در آن باریکه قطره قطره می‌شود بایستی مستقل از گرانروی بوده و برای تمام شاره‌هایکسان باشد.

آرمان جوادی - دانشجوی دکتری مشترک در مرکز تحصیلات تکمیلی زنجان و Ecole Normal Supérieure در پاریس) به‌ همراه همکارانش (از جمله مهدی حبیبی از مرکز تحصیلات تکمیلی زنجان -، این مسئله را از دیدگاه جدیدی و با جزییات بیشتری مورد مطالعه قرار داده‌اند. آنها تحلیل پایداری را بر اساس یک مدل ریاضی برای سقوط و کشیده شدن یک باریکه‌ی شاره وشکسان تحت جاذبه مطالعه کرده‌اند.

آنها آشفتگی‌هایی موجی بر روی باریکه‌ی شاره اعمال کرده و بررسی کرده‌اند که آیا دامنه این آشفتگی‌ها با زمان گسترش می‌یابد و یا اینکه در طول زمان از بین خواهند رفت.

ینز اگرز از دانشگاه بریستول انگلستان و یکی از اعضای تیم، می‌افزاید که سختی کار در آنجا بود که پارامترها در طی رشد این آشفتگی‌ها ثابت نبودند و به‌علت کشیده شدن باریکه‌ی در حال سقوط ، طول موج آشفتگی‌ها با زمان افزایش می‌یافت.

این پژوهشگران دریافته‌اند که طول قطره قطره شدن باریکه به گرانروی شاره بستگی دارد و سرنخ فهم این مسئله در تشخیص نقشه‌ای متفاوتی است که گرانروی شاره در این مسئله ایفا می‌کند. به نوشته تارنمای انجمن فیزیک، رشته شاره‌ای با گرانروی بالا نسبت به رشته شاره‌ای با گرانروی پایین به‌طور مشخص مقاومت بیشتری در برابر کشیده شدن نشان می‌دهد، ولی در عین‌حال رشد آشفتگی‌ها به علت گرانروی بالا در آن کندتر است.

آشفتگی‌هایی که در ابتدای رشته و در نزدیکی روزنه بوجود می‌آیند، قبل از آنکه رشد کنند به علت کشیده شدن زیاد در نزدیکی روزنه به سرعت کشیده شده و ار بین می‌روند، لذا تاثیری در پاره شدن رشته ندارند؛ اما آشفتگی‌هایی که در پایین دست ایجاد می‌شوند بدون آنکه با شدت زیادی کشیده شوند می‌توانند رشد کنند. بنابراین اثر گرانروی بر رشد آنها باید به‌حساب آید و آنها می‌توانند منجر به قطره قطره شدن شوند.

پژوهشگران نتایج نظری خود را با آزمایش بر روی رشته‌های روغن‌ سیلیکون در گستره وسیعی از گرانروی‌ها مقایسه کرده و تطابق خوبی را مشاهده کرده‌اند. البته در برخی از مقادیر گرانروی، تئوری مقدار بیشتری را برای طول قطره قطره شدن تخمین زده است. آنها تصور می‌کنند که در ‌این گرانروی‌ها، رشته پیش از گسستن بسیار باریک شده به‌ طوری‌ که حساسیت آن به آشفتگی‌ها بیشتر از چیزی است که تئوری می‌تواند در نظر بگیرد.

توماس بوهر از دانشگاه فنی دانمارک، این پژوهش را تحلیلی دقیق و بسیار هوشمندانه عنوان می‌کند. مطالعات پیشین بوهر بر روی این مساله فقط به حالت‌هایی با طول موج‌های بلند آشفتگی محدود می‌شد که اثر گرانروی قابل چشم‌پوشی بود.

تاخیر در قطره قطره شدن ستون‌های شاره وشکسان می‌تواند در صنایع ریسندگی فیبر حائز اهمیت باشد، جایی که شاره‌ای با گرانروی بالا مانند پلیمر یا شیشه مذاب را به‌صورت رشته‌های نازک و بلند کشیده شده به منظور تولید منسوجات یا فیبر نوری ایجاد می‌کنند. اگرز بیان می‌دارد که این پژوهش می‌تواند برای چنین فیبرهایی طول بیشینه‌ایی را تخمین بزند که رشته بعد از آن گسسته می‌شود.

ایجاد رشته‌های باریک در برخی محیط‌های آتشفشانی نیز به‌صورت طبیعی اتفاق می‌افتد. در آنجا سنگ مذاب کشیده شده سرد شده و رشته‌های منجمد موسوم به "Pele's hair" به وجود می‌آورد.

نیل ریبه از دانشگاه پاریس و عضو دیگر این تیم تحقیقاتی نیز اذعان می‌دارد که در این پدیده‌ی طبیعی نیز مشابه با پدیده سقوط رشته شاره، گرانروی بالای شاره و کشیدگی زیاد رشته حضور دارند. البته در این حالت سرد شدن سریع باعث افزایش شدید در گرانروی می‌شود. به‌این معنی که رشته‌هایی که به‌صورت خیلی نازک کشیده می‌شوند، پیش از گسستن جامد و متبلور می‌شوند.