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؟
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.
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 ، 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 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!
گفتگو۳ دیدگاه
با سلام خیلی توضیحات مفید و ساده ای بود من یه پسر ۱۴ ساله تک تک کلامارو درک کردم واقعا ممنونم من عاشق فیزیک کوانتوم هستم وخوشحال میشم اگ بروز رسانی سریع تر انجم بشود ممنون.
شرون ۱۴ ساله از تهران
خیلی جالب و قابل درک بود ممنون😄💗
بلاخره جامده یا مایع حوصله ندارم بخونم😐