لماذا ينقسم التيار من الصنبور إلى قطرات

قام الفيزيائيون دانييل بون وزملاؤه في جامعة أمستردام مؤخرًا بدراسة تفصيلية لكيفية تشكل القطرات الفردية من تيار مستمر من السائل. أبحاثهم متاحة في نسخة ما قبل الطباعة في arXiv ويحل اللغز الذي تمت مناقشته منذ فترة طويلة والذي يمكن ملاحظته حرفيًا في مطبخك – من سقوط الماء من الصنبور إلى عمل خرطوم الحديقة.

من التدفق المستمر إلى الانخفاض

عندما يتدفق الماء من الصنبور، لا يبقى التدفق سلسًا ومتسقًا. ينقسم تدريجيا إلى قطرات منفصلة. يسمي الفيزيائيون هذه العملية بعدم استقرار رايلي-هضبة. جوهر هذه الظاهرة هو أن هناك دائمًا مخالفات صغيرة على سطح الطائرة. وتحت تأثير التوتر السطحي الذي يميل إلى تقليل مساحة السائل، تزداد هذه المخالفات المجهرية مع مرور الوقت. يبدأ التيار في الضغط في بعض الأماكن والتوسع في أماكن أخرى حتى ينقسم إلى قطرات فردية.

حتى وقت قريب، ظل من غير الواضح ما الذي يسبب هذه التقلبات الأولى بالضبط. في بعض الأحيان تم تفسيرها من خلال عيوب في الفوهة أو الضوضاء الخارجية (على سبيل المثال، نفخ الهواء، أو اهتزازات المعدات، أو حركة الأجسام القريبة).

يقول عالم الرياضيات التطبيقية جيمس سبريتلز من جامعة وارويك: “يقولون عادة: هناك شيء خارجي يؤثر على النفاثات، عطس شخص ما، أو حرك شخص ما يده”.

مئات التجارب وآلاف البيانات

ولمعرفة مصدر التذبذبات، أجرى فريق بون 158 تجربة منفصلة. واستخدموا العشرات من أنواع الفوهات ذات الخشونة والحجم المتفاوتة، من الميكروميتر إلى المليمتر، بالإضافة إلى السوائل ذات اللزوجة والكثافات والتوترات السطحية المختلفة. قام العلماء بعزل المعدات بعناية عن التأثيرات الخارجية للتخلص من الضوضاء.

وكانت النتائج غير متوقعة: لم تحدد جودة الفوهة ولا الضوضاء الخارجية لحظة انهيار الطائرة. وكانت النتائج غير متوقعة: لم تحدد جودة الفوهة ولا الضوضاء الخارجية لحظة انهيار الطائرة. تم تفسير كل شيء من خلال حقيقة أن الاهتزازات الأولية كانت ناجمة عن التقلبات الحرارية – الحركات المجهرية العشوائية لجزيئات السائل الناشئة عن درجة حرارته. وكان حجم هذه الاهتزازات على سطح الدفق حوالي عُشر نانومتر، وهو ما يتزامن مع السعة المميزة للاهتزاز الحراري لجزيئات الماء.

يقول الفيزيائي جينس إيجرز من جامعة بريستول: “لقد تأثرت كثيرًا بهذا العمل. فهو يختبر المشكلة من زوايا مختلفة ويظهر أن البيانات تشكل صورة متماسكة”.

العالم الصغير يؤثر على العالم الكبير

إذا كان تفكك الدفق يعتمد فقط على التقلبات الحرارية، فإن التغير في درجة حرارة السائل سيكون له تأثير قوي على العملية. ومن الناحية العملية، فإن رفع درجة الحرارة إلى المستوى المطلوب من شأنه أن يؤدي إلى الغليان، لذلك اتخذ المجربون نهجا مختلفا: تغيير خصائص السائل، مثل التوتر السطحي، لتعزيز أو إضعاف تأثير الاهتزاز الجزيئي.

من المهم أن نفهم بالضبط كيف تتحول التقلبات الحرارية إلى قطرات مرئية. يميل التدفق دائمًا إلى الحد الأدنى من مساحة السطح، وتبدأ أي “اضطرابات” مجهرية في الزيادة تحت تأثير التوتر السطحي. وهذا مشابه لكيفية تحول التموجات الصغيرة في الماء في كوب تدريجيًا إلى موجات أكبر عند تعرضها لقوة تمد السطح.

يؤكد إيجرز على الخاصية المدهشة لهذه العمليات:

“ليس من المعتاد أن ترى صلة مباشرة بين حركات الجزيئات الفردية والتأثيرات التي نراها على مقياس حوض المطبخ.”

إن فهم هذه الآليات مهم ليس فقط للفيزياء الأساسية، ولكن أيضًا للتكنولوجيات العملية. يتضمن ذلك الطباعة النافثة للحبر، وإنشاء الهباء الجوي في أجهزة الاستنشاق الطبية، والموائع الدقيقة، وهي منطقة يعمل فيها الباحثون بكميات صغيرة من السائل في القنوات الدقيقة ويجب عليهم التحكم بدقة في حجم وحركة كل قطرة.