اكتشف العلماء أدلة على حدوث اضطراب كلاسيكي داخل أسراب من فقاعات الغاز الصاعدة.

فريق دولي من العلماء من مركز هيلمهولتز دريسدن روسيندورف (HZDR)، وجامعة جونز هوبكنز، وجامعة ديوك وجدت أن النظرية الكلاسيكية التي تصف الاضطراب في السوائل تشرح أيضًا كيف تؤدي الفقاعات التي ترتفع عبر الماء إلى خلق حركة فوضوية. تقدم دراستهم، التي تتبعت الفقاعات وجزيئات السوائل المحيطة بها في ثلاثة أبعاد، أول تأكيد تجريبي مباشر على أن “قياس كولموجوروف” يمكن أن يظهر في الاضطرابات التي تحركها الفقاعات. ونشرت النتائج في رسائل المراجعة البدنية.

الاضطرابات الناجمة عن الفقاعات شائعة في الحياة اليومية والصناعة، من المشروبات الغازية إلى المفاعلات الكيميائية وأمواج المحيط. عندما ترتفع فقاعات كثيرة عبر سائل، فإن حركة آثارها تحرك المياه المحيطة بها وتتحول إلى تدفق مضطرب.

يعد فهم هذه العملية أمرًا حيويًا لتطوير التقنيات الصناعية، وتحسين النماذج المناخية، وتحسين التصاميم التي تعتمد على خلط السوائل. ومع ذلك، لعقود من الزمن، ناقش العلماء ما إذا كانت نظرية الاضطراب التي طورها عالم الرياضيات الروسي أندريه كولموجوروف في عام 1941، والمعروفة باسم “مقياس K41″، تنطبق على هذه الأنظمة الشامبانيا. وقد أسفرت التجارب السابقة وعمليات المحاكاة الحاسوبية عن نتائج متضاربة، مما ترك السؤال دون حل حتى الآن.

يقول الدكتور تيان ما، المؤلف الرئيسي للدراسة والفيزيائي في معهد ديناميكيات الموائع في HZDR: “أردنا الحصول على إجابة محددة من خلال النظر عن كثب إلى الاضطراب بين الفقاعات وما حولها، على مقاييس صغيرة جدًا”.

ولتحقيق ذلك، استخدم الباحثون طريقة متقدمة تُعرف باسم التتبع اللاغرانجي المتزامن ثلاثي الأبعاد لكلا المرحلتين. يمكّن هذا النهج العلماء من مراقبة حركة الفقاعات وجزيئات التتبع الصغيرة في المياه المحيطة بشكل استثنائي دقة وفي الوقت الحقيقي. أُجريت التجربة في عمود مائي يبلغ عرضه 11.5 سم، حيث تم إطلاق أسراب من الفقاعات تم التحكم فيها بعناية من الأسفل. التقطت أربع كاميرات عالية السرعة الحركة بمعدل 2500 إطار في الثانية.

لقد درسوا أربع حالات مختلفة، مع تغيير حجم الفقاعة وكمية الغاز، لتكرار تدفقات الفقاعات الواقعية. والأهم من ذلك، أن الفقاعات التي يبلغ قطرها من ثلاثة إلى خمسة ملليمترات كانت كبيرة بما يكفي للتمايل أثناء ارتفاعها، مما يؤدي إلى حدوث اضطرابات قوية. وفي اثنتين من الحالات الأربع ـ تلك ذات حجم الفقاعة وكثافتها المعتدلة ـ كان الاضطراب في التدفق يتبع بشكل وثيق تنبؤات كولموجوروف عند مقاييس صغيرة، أي بالنسبة للدوامات الأصغر من حجم الفقاعات. وهذه هي المرة الأولى التي يتم فيها تأكيد هذا القياس تجريبيًا في وسط سرب الفقاعات.

فك رموز الاضطراب: شلالات الطاقة من الكبيرة إلى الصغيرة

يوضح المؤلف المشارك الدكتور أندرو براج من جامعة ديوك: “إن نظرية كولموغوروف أنيقة. فهي تتنبأ بكيفية التحكم بالطاقة التي تتدفق من الدوامات المضطربة الكبيرة إلى الدوامات الأصغر والأصغر – حتى تتبدد في النهاية من خلال التأثيرات اللزجة – في تقلبات حركة السوائل المضطربة”. “إن العثور على أن هذه النظرية تصف أيضًا الاضطراب الناتج عن الفقاعات بشكل جيد هو أمر مثير للدهشة والإثارة.”

كما طور الفريق صيغة رياضية جديدة لتقدير المعدل الذي يفقد فيه الاضطراب الطاقة بسبب التأثيرات اللزجة – المعروف باسم معدل تبديد الطاقة. إن صيغتهم، التي تعتمد فقط على عاملين مرتبطين بالفقاعات – حجمها ومدى كثافة الفقاعات – تطابقت مع البيانات التجريبية بشكل جيد. ومن المثير للاهتمام أنهم وجدوا أن مقياس كولموجوروف كان أقوى في المناطق الواقعة خارج نطاق اليقظة المباشرة للفقاعات. في تلك الصحوة، يكون السائل مضطربًا بشدة لدرجة أن شلال الطاقة المضطرب الكلاسيكي يتم التغلب عليه.

وكانت إحدى الأفكار الحاسمة هي أنه لكي يظهر “نطاق القصور الذاتي” الكلاسيكي لكولموجوروف – حيث تعمل قوانينه للقياس بشكل أفضل – بوضوح في الاضطراب الناجم عن الفقاعات، يجب أن تكون الفقاعات أكبر بكثير. ولكن هناك مشكلة: في الواقع، سوف تتفكك الفقاعات ذات الأحجام الكبيرة بسبب عدم استقرارها. وهذا يعني أن هناك حدًا أساسيًا لمدى إمكانية تطبيق نظرية K41 على التدفقات الشامبانيا. يقول الدكتور هندريك هيسنكمبر، المؤلف المشارك في الدراسة والذي أجرى التجارب: “بطريقة ما، تمنعنا الطبيعة من الحصول على اضطراب كولموجوروف المثالي بالفقاعات. ولكن في ظل الظروف المناسبة، نعلم الآن أن الأمر يقترب”.

هذه النتائج لا تحل الجدل العلمي المستمر فحسب، بل يمكن أن تساعد المهندسين أيضًا على تصميم أنظمة قائمة على الفقاعات بشكل أفضل، بدءًا من المفاعلات الكيميائية وحتى معالجة مياه الصرف الصحي. وبالنسبة للفيزيائيين، فهي تضيف نظامًا آخر – التدفقات الفقاعية – إلى القائمة المتزايدة من الظواهر الفوضوية، حيث أثبتت نظرية كولموجوروف عام 1941 قوتها بشكل مدهش.

ويؤكد الباحثون أن دراستهم هي مجرد البداية. يمكن للعمل المستقبلي أن يبحث في كيفية تصرف الاضطراب مع أشكال الفقاعات الأكثر تعقيدًا، أو مخاليط الفقاعات، أو في ظل ظروف جاذبية أو سائلة مختلفة. “كلما فهمنا القواعد الأساسية للاضطراب في التدفقات الفقاعية، كلما تمكنا من تسخيرها بشكل أفضل في تطبيقات العالم الحقيقي”، يلخص ما. “ومن المدهش جدًا أن تستمر نظرية تعود إلى أكثر من 80 عامًا في الصمود في مثل هذه البيئة المفعمة بالشمبانيا.”

المرجع: “تحجيم كولموغوروف في الاضطرابات الناجمة عن الفقاعات” بقلم تيان ما، شيونغ تان، روي ني، هندريك هيسينكيمبر وأندرو د. براج، 20 يونيو 2025، رسائل المراجعة البدنية.
دوى: 10.1103/v9mh-7pw1

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل, يكتشف، و أخبار.