حل یک معمای شیرین با مشارکت دو فیزیکدان ایرانی!
![[تصویر: zimg_001_108.jpg]]()
یک نظریه جدید به همراه نتایج آزمایشگاهی که اخیرا با مشارکت پژوهشگرانی از کشورمان ارائه شده است، توضیح می‌دهد که چرا باریکه‌ای از عسل که از قاشق می­چکد می‌تواند بدون بریده شدن، این چنین کشیده شود.
به گزارش سرویس علمی ایسنا، به­هنگام برداشتن عسل با قاشق از یک ظرف، باریکه­ بلند و پیوسته‌ای از عسل ایجاد می شود، اما پژوهشگران تاکنون درنیافته بودند که چرا رشته­های باریک از یک شاره وشکسان بدون گسسته شدن، این­ چنین کشیده و طولانی می‌شود.
در نشریه Physical Review Letters، یک گروه تحقیقاتی این معما را با کمک آزمایش با باریکه­های روغن سیلیکون و به­صورت نظری توضیح می­دهند. آن­ها دریافته‌اند که هر چند گرانروی بر حرکات بزرگ­مقیاس شاره­ی در حال سقوط تأثیر زیادی ندارد، ولی در عوض بر نحوه­ی شکل­گیری و رشد امواج تصادفی که منتهی به گسیختگی رشته­ی شاره می‌شود موثر هستند.
نتایج این پژوهش می­تواند در فرآیندهای صنعتی که با ایجاد رشته­های باریک و طولانی از شاره­های وشکسان سر و کار دارند، مانند نحوه ایجاد فیبر نوری، مفید واقع شود.
قطره قطره شدن رشته­های شاره از اواخر قرن نوزدهم مورد توجه و مطالعه قرار گرفته است.
ژوزف پلاتو بلژیکی و لرد ریلی انگلیسی، فهمیده بودند که کشش سطحی شاره می­تواند با رشد آشفتگی‌هایی در راستای شعاعی ستون شاره باعث قطره قطره شدن باریکه شاره شود. ولی این مساله به­صورت معما باقی مانده بود که در سقوط رشته­های شاره وشکسان چرا قطره قطره شدن با تاخیر زیادی صورت می­گیرد؛ به­هنگام جاری شدن باریکه­ی آب از شیر، تقریبا بعد از 10 سانتی‌متر باریکه قطره قطره می­شود، این در حالی­ است که در مورد رشته باریک عسل این طول می­تواند به حدود 10 متر برسد!
همچنان­که رشته شاره سقوط می‌کند، در اثر وزن خود کش می­آید و باریک می­شود و این کشیده شدن در برابر رشد آشفتگی‌های به وجود آمده در راستای شعاعی (ناپایداری ریلی- پلاتئو) که منجر به قطره قطره شدن می­شوند، مقاومت می­کند. با توجه به نظریات پیشین، فرایند کشیده شدن و قطره قطره شدن عموماً تحت جاذبه بوده و گرانروی سیال بر آن بی­تأثیر است. از این­رو طولی که در آن باریکه قطره قطره می­شود بایستی مستقل از گرانروی بوده و برای تمام شاره­هایکسان باشد.
آرمان جوادی - دانشجوی دکتری مشترک در مرکز تحصیلات تکمیلی زنجان و Ecole Normal Supérieure در پاریس) به همراه همکارانش (از جمله مهدی حبیبی از مرکز تحصیلات تکمیلی زنجان -، این مسئله را از دیدگاه جدیدی و با جزییات بیشتری مورد مطالعه قرار داده­اند. آن­ها تحلیل پایداری را بر اساس یک مدل ریاضی برای سقوط و کشیده شدن یک باریکه­ی شاره وشکسان تحت جاذبه مطالعه کرده‌اند.
آن­ها آشفتگی‌هایی موجی بر روی باریکه­ی شاره اعمال کرده و بررسی کرده­اند که آیا دامنه این آشفتگی­ها با زمان گسترش می‌یابد و یا اینکه در طول زمان از بین خواهند رفت.
ینز اگرز از دانشگاه بریستول انگلستان و یکی از اعضای تیم، می‌افزاید که سختی کار در آنجا بود که پارامترها در طی رشد این آشفتگی‌ها ثابت نبودند و به­علت کشیده شدن باریکه­ی در حال سقوط ، طول موج آشفتگی­ها با زمان افزایش می‌یافت.
این پژوهشگران دریافته‌اند که طول قطره قطره شدن باریکه به گرانروی شاره بستگی دارد و سرنخ فهم این مسئله در تشخیص نقش­های متفاوتی است که گرانروی شاره در این مسئله ایفا می‌کند. به نوشته تارنمای انجمن فیزیک، رشته شاره­ای با گرانروی بالا نسبت به رشته شاره­ای با گرانروی پایین به­طور مشخص مقاومت بیشتری در برابر کشیده شدن نشان می­دهد، ولی در عین­حال رشد آشفتگی‌ها به علت گرانروی بالا در آن کندتر است.
آشفتگی‌هایی که در ابتدای رشته و در نزدیکی روزنه بوجود می­آیند، قبل از آنکه رشد کنند به علت کشیده شدن زیاد در نزدیکی روزنه به سرعت کشیده شده و ار بین می­روند، لذا تاثیری در پاره شدن رشته ندارند؛ اما آشفتگی­هایی که در پایین دست ایجاد می­شوند بدون آنکه با شدت زیادی کشیده شوند می­توانند رشد کنند. بنابراین اثر گرانروی بر رشد آن­ها باید به­حساب آید و آن­ها می­توانند منجر به قطره قطره شدن شوند.
پژوهشگران نتایج نظری خود را با آزمایش بر روی رشته­های روغن سیلیکون در گستره وسیعی از گرانروی­ها مقایسه کرده و تطابق خوبی را مشاهده کرده‌اند. البته در برخی از مقادیر گرانروی، تئوری مقدار بیشتری را برای طول قطره قطره شدن تخمین زده است. آن­ها تصور می­کنند که در این گرانروی‌ها، رشته پیش از گسستن بسیار باریک شده به­ طوری که حساسیت آن به آشفتگی­ها بیشتر از چیزی است که تئوری می­تواند در نظر بگیرد.
توماس بوهر از دانشگاه فنی دانمارک، این پژوهش را تحلیلی دقیق و بسیار هوشمندانه عنوان می­کند. مطالعات پیشین بوهر بر روی این مساله فقط به حالت­هایی با طول موج­های بلند آشفتگی محدود می­شد که اثر گرانروی قابل چشم‌پوشی بود.
تاخیر در قطره قطره شدن ستون‌های شاره وشکسان می­تواند در صنایع ریسندگی فیبر حائز اهمیت باشد، جایی که شاره­ای با گرانروی بالا مانند پلیمر یا شیشه مذاب را به­صورت رشته‌های نازک و بلند کشیده شده به منظور تولید منسوجات یا فیبر نوری ایجاد می­کنند. اگرز بیان می‌دارد که این پژوهش می­تواند برای چنین فیبرهایی طول بیشینه‌ایی را تخمین بزند که رشته بعد از آن گسسته می‌شود.
ایجاد رشته­های باریک در برخی محیط‌های آتشفشانی نیز به­صورت طبیعی اتفاق می‌افتد. در آنجا سنگ مذاب کشیده شده سرد شده و رشته­های منجمد موسوم به "Pele’s hair" به وجود می‌آورد.
نیل ریبه از دانشگاه پاریس و عضو دیگر این تیم تحقیقاتی نیز اذعان می­دارد که در این پدیده­ی طبیعی نیز مشابه با پدیده سقوط رشته شاره، گرانروی بالای شاره و کشیدگی زیاد رشته حضور دارند. البته در این حالت سرد شدن سریع باعث افزایش شدید در گرانروی می­شود. به­این معنی که رشته­هایی که به­صورت خیلی نازک کشیده می­شوند، پیش از گسستن جامد و متبلور می­شوند.
![[تصویر: zimg_001_108.jpg]](http://hupaa.com/db/pages/2013/04/23/001/zimg_001_108.jpg)
یک نظریه جدید به همراه نتایج آزمایشگاهی که اخیرا با مشارکت پژوهشگرانی از کشورمان ارائه شده است، توضیح می‌دهد که چرا باریکه‌ای از عسل که از قاشق می­چکد می‌تواند بدون بریده شدن، این چنین کشیده شود.به گزارش سرویس علمی ایسنا، به­هنگام برداشتن عسل با قاشق از یک ظرف، باریکه­ بلند و پیوسته‌ای از عسل ایجاد می شود، اما پژوهشگران تاکنون درنیافته بودند که چرا رشته­های باریک از یک شاره وشکسان بدون گسسته شدن، این­ چنین کشیده و طولانی می‌شود.
در نشریه Physical Review Letters، یک گروه تحقیقاتی این معما را با کمک آزمایش با باریکه­های روغن سیلیکون و به­صورت نظری توضیح می­دهند. آن­ها دریافته‌اند که هر چند گرانروی بر حرکات بزرگ­مقیاس شاره­ی در حال سقوط تأثیر زیادی ندارد، ولی در عوض بر نحوه­ی شکل­گیری و رشد امواج تصادفی که منتهی به گسیختگی رشته­ی شاره می‌شود موثر هستند.
نتایج این پژوهش می­تواند در فرآیندهای صنعتی که با ایجاد رشته­های باریک و طولانی از شاره­های وشکسان سر و کار دارند، مانند نحوه ایجاد فیبر نوری، مفید واقع شود.
قطره قطره شدن رشته­های شاره از اواخر قرن نوزدهم مورد توجه و مطالعه قرار گرفته است.
ژوزف پلاتو بلژیکی و لرد ریلی انگلیسی، فهمیده بودند که کشش سطحی شاره می­تواند با رشد آشفتگی‌هایی در راستای شعاعی ستون شاره باعث قطره قطره شدن باریکه شاره شود. ولی این مساله به­صورت معما باقی مانده بود که در سقوط رشته­های شاره وشکسان چرا قطره قطره شدن با تاخیر زیادی صورت می­گیرد؛ به­هنگام جاری شدن باریکه­ی آب از شیر، تقریبا بعد از 10 سانتی‌متر باریکه قطره قطره می­شود، این در حالی­ است که در مورد رشته باریک عسل این طول می­تواند به حدود 10 متر برسد!
همچنان­که رشته شاره سقوط می‌کند، در اثر وزن خود کش می­آید و باریک می­شود و این کشیده شدن در برابر رشد آشفتگی‌های به وجود آمده در راستای شعاعی (ناپایداری ریلی- پلاتئو) که منجر به قطره قطره شدن می­شوند، مقاومت می­کند. با توجه به نظریات پیشین، فرایند کشیده شدن و قطره قطره شدن عموماً تحت جاذبه بوده و گرانروی سیال بر آن بی­تأثیر است. از این­رو طولی که در آن باریکه قطره قطره می­شود بایستی مستقل از گرانروی بوده و برای تمام شاره­هایکسان باشد.
آرمان جوادی - دانشجوی دکتری مشترک در مرکز تحصیلات تکمیلی زنجان و Ecole Normal Supérieure در پاریس) به همراه همکارانش (از جمله مهدی حبیبی از مرکز تحصیلات تکمیلی زنجان -، این مسئله را از دیدگاه جدیدی و با جزییات بیشتری مورد مطالعه قرار داده­اند. آن­ها تحلیل پایداری را بر اساس یک مدل ریاضی برای سقوط و کشیده شدن یک باریکه­ی شاره وشکسان تحت جاذبه مطالعه کرده‌اند.
آن­ها آشفتگی‌هایی موجی بر روی باریکه­ی شاره اعمال کرده و بررسی کرده­اند که آیا دامنه این آشفتگی­ها با زمان گسترش می‌یابد و یا اینکه در طول زمان از بین خواهند رفت.
ینز اگرز از دانشگاه بریستول انگلستان و یکی از اعضای تیم، می‌افزاید که سختی کار در آنجا بود که پارامترها در طی رشد این آشفتگی‌ها ثابت نبودند و به­علت کشیده شدن باریکه­ی در حال سقوط ، طول موج آشفتگی­ها با زمان افزایش می‌یافت.
این پژوهشگران دریافته‌اند که طول قطره قطره شدن باریکه به گرانروی شاره بستگی دارد و سرنخ فهم این مسئله در تشخیص نقش­های متفاوتی است که گرانروی شاره در این مسئله ایفا می‌کند. به نوشته تارنمای انجمن فیزیک، رشته شاره­ای با گرانروی بالا نسبت به رشته شاره­ای با گرانروی پایین به­طور مشخص مقاومت بیشتری در برابر کشیده شدن نشان می­دهد، ولی در عین­حال رشد آشفتگی‌ها به علت گرانروی بالا در آن کندتر است.
آشفتگی‌هایی که در ابتدای رشته و در نزدیکی روزنه بوجود می­آیند، قبل از آنکه رشد کنند به علت کشیده شدن زیاد در نزدیکی روزنه به سرعت کشیده شده و ار بین می­روند، لذا تاثیری در پاره شدن رشته ندارند؛ اما آشفتگی­هایی که در پایین دست ایجاد می­شوند بدون آنکه با شدت زیادی کشیده شوند می­توانند رشد کنند. بنابراین اثر گرانروی بر رشد آن­ها باید به­حساب آید و آن­ها می­توانند منجر به قطره قطره شدن شوند.
پژوهشگران نتایج نظری خود را با آزمایش بر روی رشته­های روغن سیلیکون در گستره وسیعی از گرانروی­ها مقایسه کرده و تطابق خوبی را مشاهده کرده‌اند. البته در برخی از مقادیر گرانروی، تئوری مقدار بیشتری را برای طول قطره قطره شدن تخمین زده است. آن­ها تصور می­کنند که در این گرانروی‌ها، رشته پیش از گسستن بسیار باریک شده به­ طوری که حساسیت آن به آشفتگی­ها بیشتر از چیزی است که تئوری می­تواند در نظر بگیرد.
توماس بوهر از دانشگاه فنی دانمارک، این پژوهش را تحلیلی دقیق و بسیار هوشمندانه عنوان می­کند. مطالعات پیشین بوهر بر روی این مساله فقط به حالت­هایی با طول موج­های بلند آشفتگی محدود می­شد که اثر گرانروی قابل چشم‌پوشی بود.
تاخیر در قطره قطره شدن ستون‌های شاره وشکسان می­تواند در صنایع ریسندگی فیبر حائز اهمیت باشد، جایی که شاره­ای با گرانروی بالا مانند پلیمر یا شیشه مذاب را به­صورت رشته‌های نازک و بلند کشیده شده به منظور تولید منسوجات یا فیبر نوری ایجاد می­کنند. اگرز بیان می‌دارد که این پژوهش می­تواند برای چنین فیبرهایی طول بیشینه‌ایی را تخمین بزند که رشته بعد از آن گسسته می‌شود.
ایجاد رشته­های باریک در برخی محیط‌های آتشفشانی نیز به­صورت طبیعی اتفاق می‌افتد. در آنجا سنگ مذاب کشیده شده سرد شده و رشته­های منجمد موسوم به "Pele’s hair" به وجود می‌آورد.
نیل ریبه از دانشگاه پاریس و عضو دیگر این تیم تحقیقاتی نیز اذعان می­دارد که در این پدیده­ی طبیعی نیز مشابه با پدیده سقوط رشته شاره، گرانروی بالای شاره و کشیدگی زیاد رشته حضور دارند. البته در این حالت سرد شدن سریع باعث افزایش شدید در گرانروی می­شود. به­این معنی که رشته­هایی که به­صورت خیلی نازک کشیده می­شوند، پیش از گسستن جامد و متبلور می­شوند.