فقط عندما تعتقد أنك قد تمكنت من فهم كيفية عمل الكون، فإن الفيزياء تسير على هذا النحو ويفاجئك مرة أخرى. اكتشف الباحثون أن السوائل البسيطة يمكن أن يكون لها نقاط انكسار، وبعدها تنكسر فجأة مثل المواد الصلبة.
يعتبر هذا الاكتشاف مهمًا بالنسبة لميكانيكا الموائع. إذا كانت السوائل قادرة على الانكسار، وكذلك التمدد والتدفق، فإن ذلك له آثار في كل شيء بدءًا من تكنولوجيا الطباعة ثلاثية الأبعاد وحتى الأنظمة البيولوجية داخل أجسادنا.
تم هذا الاكتشاف المفاجئ من قبل باحثين من جامعة دريكسيل في الولايات المتحدة وشركة إكسون موبيل، الذين كانوا يجرون تجارب لمعرفة كيفية استجابة السوائل اللزجة للقوى القوية. لقد ظنوا في البداية أن معدات المختبر قد تعطلت.
“تسبب الكسر في حدوث ضجيج عالٍ جدًا أذهلني حقًا” يقول المهندس الكيميائي ثاميريس ليما، من جامعة دريكسيل.
يقول الفريق أنهم كرروا التجارب عدة مرات للتأكد من موثوقية النتائج.
“ما لاحظناه كان غير متوقع على الإطلاق” يقول المهندس الكيميائي بجامعة دريكسيل نيكولاس ألفاريز.
“بمجرد أن تأكدنا من هذه الظاهرة، أصبح البحث مسعى علميًا مختلفًا تمامًا.”
تضمن الإعداد وضع سوائل بين لوحين معدنيين، وتم رصدها بواسطة كاميرا عالية السرعة، مع تطبيق مجموعة متنوعة من القوى. حدثت المفاجئة الأولى عندما تم سحب السائل بقوة مماثلة لتلك التي يتم بها سحب كيس من الطوب من منطقة بحجم ظفر الإصبع.
كان ذلك في سائل خليط هيدروكربوني يشبه القطران، وتم العثور على نفس نقطة الانكسار لاحقًا في سائل مختلف، وهو قليل الستيرين. هذاوكان أيضًا سميكًا وشبيهًا بالقطران، كما يعتقد الباحثون اللزوجة (كيف يتدفق السائل) مهم.
يتراكم التوتر بشكل مختلف في منطقة أكثر سمكًا، سائل أكثر لزوجة بالمقارنة مع مادة أكثر سيولة وأقل لزوجة. بناءً على هذه التجارب، يمكن للسوائل الأكثر سمكًا أن تتشقق حتى عندما يتم سحبها بشكل أبطأ، ولكن يبدو أن مقدار القوة المطلوبة هو نفسه، بغض النظر عن اللزوجة المعنية.
وبينما كان من المعروف أن السوائل يمكن أن تتشقق إذا تم تبريدها بدرجة كافية أو خلطها للحصول على الخصائص الصحيحة، إلا أن هذا اكتشاف جديد. ويعتقد الباحثون أن هذا ينطبق على الأرجح إلى المزيد من السوائل أبعد من تلك التي تم اختبارها.
“تُظهر النتائج التي توصلنا إليها أنه إذا تم سحبه بقوة كافية لكل منطقة، فإن السائل البسيط – السائل الذي يتدفق – سيصل إلى ما نسميه نقطة “الإجهاد الحرج”، عندما ينكسر فعليًا مثل المادة الصلبة”. يقول ليما.
“وهذا ينطبق على الأرجح على جميع السوائل البسيطة، بما في ذلك الأمثلة الشائعة، مثل الماء والزيت.”
أحد المجالات التالية التي يجب استكشافها هو آليات سبب حدوث ذلك. ووجد الفريق أن الشقوق السائلة تشكلت بسرعة كبيرة بمجرد بدايتها، بمعدل 500-1500 متر في الثانية.
سرعة الكسر تتفق مع التجويف، وهي ظاهرة نظريا لعقود من الزمن. الفرضية هي أن الضغط الكافي على السائل سيؤدي إلى تكوين فقاعة مفرغة صغيرة بداخله، مما يساعد بعد ذلك على تمزيق السائل.
وكما أظهرت هذه التجارب، فإن العملية تحدث بسرعة كبيرة بحيث سيكون من الصعب إلقاء نظرة فاحصة عليها. والآن بعد أن أصبح هناك دليل قوي على حدوث ذلك، أصبح لدى العلماء المزيد للعمل عليه.
هناك شيء آخر يجب التحقيق فيه بعد ذلك وهو كيفية حدوث هذه الكسور في سوائل أخرى وخارج إعدادات المختبر الدقيقة للغاية. الطباعة النافثة للحبر و الروبوتات الناعمة هما تطبيقان في العالم الحقيقي ذكرهما الباحثون حيث ستكون هذه النتائج مفيدة.
تستمر السوائل في كشف الخصائص المخفية والفيزياء الداخلية مع تحسن الأساليب العلمية وأدوات البحث – ومن المحتمل أنه لا يزال هناك الكثير لاكتشافه.
متعلق ب: تجربة برية تحول السوائل إلى أشكال مربعة وسداسية مذهلة
“الآن بعد أن أبلغنا عن هذا السلوك غير المتوقع، فإن العمل على الفهم الكامل لسبب حدوثه وكيف يظهر السلوك في السوائل الأخرى هو خطوة تالية مهمة.” يقول ليما.
“سيكون من المثير للاهتمام أيضًا أن نرى كيف يمكن تطبيق هذه النتيجة لمساعدة غزل الألياف والتطبيقات الأخرى التي تستخدم السوائل اللزجة.”
وقد تم نشر البحث في رسائل المراجعة البدنية.
