فیزیکدانان یک معمای 150 ساله معادلات حاکم بر فیزیک قلعه شن را حل می کنند


راز یک قلعه شن پایدار عمدتا در نسبت صحیح آب به شن و ماسه نهفته است.  از نظر ریاضی ، نیروهای موجود در یک بازی توسط
بزرگنمایی / راز یک قلعه شن پایدار عمدتا در نسبت صحیح آب به شن و ماسه نهفته است. از نظر ریاضی ، نیروهای عمل شده توسط “معادله کلوین” توصیف می شوند ، اولین بار در سال 1871 ذکر شد.

تولیدات AC / گتی ایماژ

ساخت قلعه های ماسه ای در ساحل در سراسر جهان یک سنت بزرگوار است که در سالهای اخیر به لطف صدها مسابقه سالانه به یک شکل هنری ارتقا یافته است. در حالی که فیزیک پایه کاملاً شناخته شده است ، طی دهه گذشته فیزیکدانان همچنان دانش جدیدی در مورد این ماده گرانول جذاب کسب کرده اند. آخرین گزارش از آزمایشگاه برنده جایزه نوبل آندره گیم در دانشگاه منچستر انگلیس است ، جایی که گام و همکارانش 150 سال پیش یک معمای ریاضی – “معادله کلوین” را حل کرده اند ، بر اساس گزارش جدیدی که اخیراً در Nature منتشر شده است.

تنها چیزی که برای ساختن قلعه شنی نیاز دارید شن و آب است. آب به عنوان نوعی چسب عمل می کند که شن و ماسه را توسط نیروهای مویرگی بهم می چسباند. مطالعات نشان می دهد که نسبت ایده آل برای ساختن یک قلعه شن و ماسه قوی از نظر ساختاری یک سطل آب به ازای هر هشت سطل شن است ، اگرچه هنوز هم می توان یک ساختار مناسب با محتوای آب متفاوت ساخت. اما اگر می خواهید این نوع قلعه های شنی پیچیده و برجسته را که در مسابقات پیروز می شوند ، بسازید ، عاقلانه است که به این نسبت ایده آل پایبند باشید.

در اوایل سال 2008 ، فیزیکدانان تصمیم گرفتند کمی بیشتر در این موضوع تحقیق کنند که چرا شن هنگام خیس شدن چسبناک می شود. آنها با استفاده از میکروتوموگرافی اشعه ایکس ، تصاویر سه بعدی از دانه های شیشه ای مرطوب را به شکل و اندازه مشابه دانه های شن ساخته اند. هنگامی که آنها مایع را به مهره های خشک اضافه می کنند ، “پل های مویرگی” مایع را مشاهده می کنند که بین دانه های منفرد تشکیل شده است. افزودن مایعات بیشتر باعث بزرگتر شدن پل ها می شود و با وقوع این اتفاق ، سطح گلوله ها با آب بیشتری تماس پیدا می کنند که این امر اثر پیوند را بیشتر می کند. با این حال ، افزایش اثر پیوند با کاهش متناظر در نیروهای مویرگی با افزایش ساختارهای پل معکوس می شود. این تیم نتیجه گرفت که حتی اگر میزان رطوبت تغییر کند ، نیروهای متصل به مهره ها تغییر نمی کنند.

به گفته دانیل بن ، فیزیکدان از دانشگاه آمستردام که چندین آزمایش با آن انجام داده ، شبیه کروی بودن حباب های صابون است زیرا این شکلی است که سطح کل سطح را به حداقل می رساند ، بنابراین از حداقل انرژی استفاده می کند. شن و ماسه در طول سالها. بن در ساخت یک قلعه ماسه ای عالی کاملاً متخصص شده است. وی در سال 2015 به Vice گفت: “به طور مشابه ، مقدار کمی آب بین دو دانه شن و ماسه باعث ایجاد یک پل مایع کوچک می شود که سطح بین آب و هوا را به حداقل می رساند.” این هزینه انرژی دارد و بنابراین در برابر تغییر شکل مقاوم خواهد بود. “

از نظر ریاضی ، این نوع تراکم مویرگی – یعنی. چگونه بخار آب از هوای محیط به طور خود به خود به مواد متخلخل یا بین سطوح لمس متراکم می شود – که معمولاً توسط معادله ای که توسط سر ویلیام تامپسون (بعداً لرد کلوین) ابداع شد و اولین بار در مقاله ای از سال 1871 نقل شد ، توصیف می شود. این یک معادله ماکروسکوپی است ، اما با این وجود تا مقیاس 10 نانومتری بسیار دقیق معلوم شد ، اما مدتهاست که فقدان توصیف کاملی که بتواند مقیاس های کوچکتر را نیز در نظر بگیرد ، فیزیکدانان را ناامید کرد.

رطوبت معمول این نوع میعانات بین 30 تا 50 درصد است ، اما در مقیاس های مولکولی 1 نانومتر یا کمتر (قطر مولکول آب حدود 0.3 نانومتر است) ، فقط یک یا دو لایه مولکولی آب می تواند جای گیرد در مویرگهای ضخیم 1 نانومتری. در این مقیاس ، به نظر می رسد معادله کلوین معنایی ندارد. این ممکن است برای ساخت قلعه های ماسه ای مهم نباشد ، اما جبران مویرگ برای بسیاری از صنایع میکروالکترونیک ، دارویی و غذایی نیز مهم است. گیم و همکارانش راهی برای غلبه بر چالشهای تجربی طولانی مدت مطالعه مویرگها در مقیاس مولکولی پیدا کردند.

گیم جایزه نوبل فیزیک 2010 را به خاطر آزمایشات پیشگامانه اش بر روی گرافن ، پوسته ای نازک و ضخیم از یک اتم کربن معمولی که به مواد ویژگی های غیرمعمولی می دهد ، برنده شد. فیزیکدانان سعی کردند گرافن را از گرافیت جدا کنند (دقیقاً مانند آنچه در مداد است) ، اما گام و همکارش در منچستر کنستانتین نووسلوف روش جدیدی را با استفاده از نوار چسب برای جمع آوری پوسته های اتمی گرافیت ایجاد کردند. وی همچنین به دلیل کشف سهم مستقیم دیا مغناطیسی آب ، جایزه Ig Nobel را از آن خود کرد – کاری که به دلیل استفاده از آهن ربا های آهنربایی در آزمایشگاه مشهور است. و یک بار او یک نوار چسب الهام گرفته از گکو ایجاد کرد ، به اندازه کافی قوی که بتواند شکل مرد عنکبوتی را از سقف برای مدت نامحدود آویزان کند.

برای این آخرین کار ، تیم Geim با دقت مویرگهایی را در مقیاس مولکولی ساختند ، بلورهای نازک اتمی میکا و گرافیت را روی یکدیگر لایه بندی کردند ، و بین هر لایه نوارهای باریک گرافن به عنوان جدا کننده وجود دارد. با استفاده از این روش ، تیم ساخته شده از مویرگهایی با ارتفاع مختلف ، از جمله مویرگهایی با ارتفاع فقط یک اتم – فقط کافی برای نگه داشتن یک لایه از مولکول های آب ، کوچکترین ساختار ممکن است.

گیم و دیگران. بر خلاف انتظار ، مشخص شد که معادله کلوین هنوز توصیف کیفی بسیار خوبی از تراکم مویرگی است. ظاهراً در این حالت اصلاحات میکروسکوپی مویرگها وجود دارد که هرگونه اثر اضافی را که ممکن است باعث فروپاشی معادله شود ، همانطور که انتظار می رود ، سرکوب می کند.

کیان یانگ ، نویسنده همکار ، گفت: “این یک سورپرایز بزرگ بود. من انتظار داشتم که یک فیزیک معمولی کاملاً خراب شود.” “معادله قدیمی به خوبی رقم خورد. کمی ناامید کننده ، اما همچنین سرانجام برای حل رمز و راز دیرینه هیجان انگیز است. بنابراین می توانیم آرامش داشته باشیم ، همه این اثرات متراکم متعدد و خواص مربوط به آنها اکنون با شواهد محکم و نه پیشگویی پشتیبانی می شوند. که “به نظر می رسد کار می کند ، بنابراین باید از معادله استفاده شود. “

گیم گفت: “نظریه خوب اغلب فراتر از کاربرد آن عمل می کند.” “لرد کلوین دانشمند برجسته ای بود که بسیاری از کشفیات را انجام داد ، اما حتی مطمئناً تعجب خواهد کرد که نظریه او – در ابتدا با در نظر گرفتن لوله های به اندازه میلی متر – حتی در مقیاس تک اتمی نیز رفتار می کند. در حقیقت ، کلوین در کتاب اصلی خود به طور دقیق اظهار نظر کرد. این غیرممکن است. بنابراین کار ما هم درست و هم نادرست آن را ثابت کرده است. “

DOI: Nature ، 2020. 10.1038 / s41586-020-2978-1 (برای DOI).


منبع: khabar-tak.ir

دیدگاهتان را بنویسید

Comment
Name*
Mail*
Website*