Real Time Web Analytics آیا گربه‌ها مایع هستند؟ دانشمندی که با رئولوژی پاسخ داد و ایگ نوبل فیزیک 2017 را برد! | دیپ لوک

آیا گربه‌ها مایع هستند؟ دانشمندی که با رئولوژی پاسخ داد و ایگ نوبل فیزیک 2017 را برد!

0

حتما شما هم تاکنون فیلم‌ها و عکس‌های جالبی از گربه‌هایی دیده‌اید که به شکل ظرف درآمده و دقیقا درون آن، جای می‌گیرند. همین فیلم‌ها و عکس‌ها باعث شده تا این سوال جالب و البته نامتعارف «آیا گربه‌ها مایع هستند؟» بر سر زبان‌ها بیفتد. اگرچه این سوال، برای مردم، تنها جنبه‌ی طنز دارد، اما یک دانشمند آن را به طور علمی بررسی کرده و از طریق علم رئولوژی به آن پاسخ داده است. این پژوهش، جایزه ایگ نوبل فیزیک ۲۰۱۷ را برای او به ارمغان آورد. با دیپ لوک همراه باشید تا متوجه شوید گربه‌ها مایع اند یا نه؟

بخشی از نوشتار زیر، ترجمه‌ی مقاله‌ای نوشته‌ی مارک آنتواین است که در سایت معتبر theconversation منتشر شد. او پژوهشگر رئولوژی در دانشگاه پاریس دیادرو و کسی است که سوال «آیا گربه‌ها مایع هستند» را با علم رئولوژی پاسخ داد و برنده جایزه ایگ نوبل فیزیک ۲۰۱۷ شد.
اثبات مایع بودن گربه با علم رئولوژی
گربه‌ها واقعا مایع هستند؟!

یک مایع معمولا به عنوان ماده‌ای که می‌تواند شکل ظرف محتوی‌اش را به خود بگیرد، تعریف می‌شود. به نظر می‌رسد گربه‌ها در برخی شرایط خاص می‌توانند در این تعریف قرار بگیرند! فیلم‌ها و عکس‌های مربوط به این موضوع، چند سال پیش در فضای وب منتشر شد که در اکثر آنها، این سوال مطرح می‌شد که «آیا گربه‌ها مایع هستند؟». وقتی برای اولین بار این سوال را دیدم، خندیدم، اما بعد به فکر فرورفتم! تصمیم گرفتم یک فرمول‌بندی مجدد انجام دهم تا برخی مشکلات علم رئولوژی یا شارش شناسی را نشان دهم. رئولوژی ، علم مطالعه‌ی تغییرشکل و جریان یافتن ماده است. مطالعه‌‌ی من روی رئولوژی گربه‌ها برنده‌ی جایزه ایگ نوبل فیزیک ۲۰۱۷ شد.

جایزه ایگ‌ نوبل (به انگلیسی: Ig Nobel Prize) تقلید طنزآمیزی از جایزه نوبل است که همه‌ساله در اوایل اکتبر (تقریبا در زمان اعلام نتایج جایزهٔ نوبل) به ۱۰ موفقیت برتر که «ابتدا باعث خنده و سپس به فکر فرورفتن مردم شود» اعطا می‌شود. این جایزه توسط مجلهٔ طنز علمیِ سالنامهٔ تحقیقات نامحتمل (به انگلیسی: Annals of Improbable Research) سازمان‌دهی می‌شود. مراسم این جایزه در «سالن تئاتر ساندرز» (به انگلیسی: Sanders Theater) دانشگاه هاروارد برگزار می‌شود و ارائه‌ی آن به عهده‌ی گروهی از برجستگان و شایستگان جایزه‌ی نوبل است. مراسم هر سال با مجموعه‌ای از سخنرانی‌های عمومیِ برندگان جایزه در مؤسسهٔ فناوری ماساچوست (MIT) خاتمه می‌یابد.

در رئولوژی ، مایع چیست؟

در قلب تعریف مایع، یک نکته وجود دارد: ماده باید بتوانند شکل خود را متناسب با ظرف محتوی‌اش، تغییر دهد. از طرفی، این عمل باید یک مدت زمان خاص داشته باشد.
این زمان، در علم رئولوژی ،  زمان آسایش نامیده می‌شود. تعیین مایع بودن ماده، به این زمان بستگی دارد. اگر گربه‌ها را به عنوان مثال،در نظر بگیریم، آنها می‌توانند خود را به شکل ظرف محتوشان درآورند (البته اگر زمان کافی به آنها بدهیم)؛ بنابراین اگر زمان لازم را برای مایع شدن به گربه‌ها بدهیم، آنها مایع هستند!

در رئولوژی، حالت یک ماده، یک ویژگی ثابت نیست، بلکه باید آن را در زمان آسایش، تشخیص داد. باید ببینیم زمان آسایش چقدر است و به چه چیزی بستگی دارد؟ مثلا آیا زمان آسایش یک گربه با سنش، تغییر می‌کند؟ آیا نوع ظرف هم می‌تواند یک عامل موثر در این پدیده باشد؟ یا حتی استرس گربه می تواند آن را تغییر دهد؟ البته اینجا منظور ما از استرس، معنای مکانیکی‌ آن است، نه معنای احساسی، هرچند این دو معنی در برخی موارد می‌توانند همپوشانی داشته باشند.

رئولوژی حرکت یک کوه به درون یک دره
جریان یافتن کوه به درون دره

رئولوژی ، عدد دبورا و جریان یافتن کوه‌ها!

واقعیتی که گربه‌ها به وضوح نشان می‌دهند این است که تعیین حالت ماده نیاز به مقایسه‌ی دو مدت زمان دارد: زمان آسایش و زمان تجربی (زمان سپری شده از موقعی که تغییر شکل با ظرف، آغاز می‌شود). مثلا زمانی که گربه پا درون ظرف می‌گذارد، زمان تجربی آغاز می‌شود. ما معمولا زمان آسایش را به زمان تجربی تقسیم می‌کنیم. اگر نتیجه بزرگتر از یک باشد، ماده به طور نسبی، جامد است و اگر کمتر از یک باشد، ماده به طور نسبی، مایع است. به این عدد بدست آمده، عدد دبورا گفته می‌شود. این نام پس از آنکه یک کشیش مدعی شد، کوه‌ها در مقیاس‌های زمانی زمین‌شناسی، جریان داشته‌اند، گذاشته شد. در مقیاس‌های زمانی کوتاه‌تر، می‌توان یخچال‌هایی را دید که به تدریج به پایین دره‌ها حرکت می‌کنند.

حتی اگر زمان آسایش، بسیار بزرگ باشد (روزها و سال‌ها)، باز هم یک ماده می‌تواند مایع باشد (به شرطی که عدد دبورا در مقایسه با یک، کوچک باشد). برعکس، حتی اگر زمان آسایش، بسیار کوچک باشد (در حد میلی ثانیه)، این رفتار می‌تواند جامد بودن را نشان دهد (به شرطی که عدد دبورا در مقایسه با یک، بزرگ باشد). این دقیقا مانند وقتی است که یک سوزن را به یک بادکنک پرآب میزنیم و دقیقا در لحظه ترکیدن بادکنک، می‌بینیم که آب هنوز شکل خود را حفظ کرده و در واقع مانند یک جامد رفتار کرده است! عدد دبورا، مثالی از یک عدد بدون بُعد است: از آنجایی که ما یک دوره‌ی زمانی را بر زمان دیگری، تقسیم می‌کنیم، نسبت آنها هیچ واحدی ندارد. در رئولوژی و در سایر علوم، اعداد بدون بعد زیادی وجود دارند که می‌توانند برای تعیین حالت یا روش ماده یا یک سیستم استفاده شوند.

رئولوژی و رفتار جامد آب
آب در لحظه ترکیدن بادکنک، مانند جامد رفتار می‌کند!

رئولوژی و اندازه‌گیری سرعت یک خمیر کیک

عدد بدون بعد دیگری برای مایعات وجود دارد که می‌تواند برای تخمین اینکه آیا جریان ماده، آشوبناک خواهد بود یا نه، به کار رود؛ یعنی آیا مایع موردنظر به طور آرام (جریان لمینار)، یا در یک حرکت آشوبناک، شکل ظرف را به خود خواهد گرفت؟ اگر سرعت جریان، V باشد و ظرف، اندازه‌ی h عمود بر جریان داشته باشد، می‌توانیم تغییر سرعت V/h را تعریف کنیم که معکوس این مقدار، یک زمان است. مقایسه این زمان و زمان آسایش، در جریان‌هایی که اینرسی در آنها حاکم است (مانند آب)، عدد رینولدز را تولید کرده و در مایعاتی که کشسانی در آنها حکمرانی می‌کند (مانند خمیر)، عدد وایسنبرگ را بدست می‌دهد.  اگر این اعداد بدون بعد، در مقایسه با یک، بزرگ باشند، جریان احتمالا آشوبناک خواهد بود و اگر در مقایسه با یک، کوچک باشند، جریان احتمالا لمینار خواهد بود.

پرسیدن این سوال که آیا گربه‌ها مایع هستند باعث شد تا من کاربرد این اعداد بدون بعد را در رئولوژی به تصویر بکشم. امیدوارم مردم با این نتایج، بخندند و البته فکر کنند!

زاده‌ی اردیبهشت ۶۹ و دانشجوی دکترای شیمی کوانتوم محاسباتی در دانشگاه شهید بهشتی است.او علاقمند به دنیای کوانتوم و تکنولوژی بوده و علاوه بر سردبیری دیپ لوک، به طراحی وب و نویسندگی در گجت نیوز و ماهنامه جی اس ام مشغول است.

ارسال نظر

*