لا يتطلب الاكتشاف العلمي دائمًا مختبرًا عالي التقنية أو ميزانية ضخمة. يمتلك العديد من الأشخاص مختبرًا من الدرجة الأولى في منازلهم – في مطبخهم.
يوفر المطبخ الكثير من الفرص لمشاهدة واستكشاف ما يسميه الفيزيائيون المادة الناعمة والسوائل المعقدة. أدت الظواهر اليومية، مثل تجمعات تشيريوس في الحليب أو الحلقات المتبقية عندما تتبخر قطرات القهوة، إلى اكتشافات عند تقاطع الفيزياء والكيمياء وغيرها من أشكال التعاون اللذيذة بين علماء الأغذية والفيزيائيين.
قمت أنا والطالبان، سام كريستيانسون وكارسن غروت، بنشر دراسة جديدة في مجلة Nature Communications في مايو 2024 والتي تتعمق في مراقبة مطبخ أخرى. لقد درسنا كيف يمكن للأشياء أن ترتفع في السوائل الغازية، وهي ظاهرة يشار إليها بشكل غريب باسم الزبيب الراقص.
واستكشفت الدراسة كيف يمكن لأشياء مثل الزبيب أن تتحرك بشكل إيقاعي لأعلى ولأسفل في السوائل الغازية لعدة دقائق، وحتى ما يصل إلى ساعة.
انتشر موضوع مصاحب على تويتر حول بحثنا على نطاق واسع، وحصد أكثر من نصف مليون مشاهدة في يومين فقط. لماذا استحوذت هذه التجربة بالذات على خيال الكثيرين؟
فيزياء الفقاعات
تفور المياه الفوارة والمشروبات الغازية الأخرى بالفقاعات لأنها تحتوي على غاز أكثر مما يمكن أن يدعمه السائل – فهي “مفرطة التشبع” بالغاز. عندما تفتح زجاجة شمبانيا أو مشروبًا غازيًا، ينخفض ضغط السائل وتبدأ جزيئات ثاني أكسيد الكربون في الهروب إلى الهواء المحيط.
لا تتشكل الفقاعات عادةً تلقائيًا في السائل. يتكون السائل من جزيئات تحب أن تلتصق ببعضها البعض، لذا فإن الجزيئات الموجودة عند حدود السائل تكون غير سعيدة بعض الشيء. وهذا يؤدي إلى التوتر السطحي، وهي القوة التي تسعى إلى تقليل مساحة السطح. وبما أن الفقاعات تضيف مساحة سطحية، فإن التوتر السطحي وضغط السوائل عادة ما يضغطان على أي فقاعات متشكلة لتختفي من الوجود.
لكن البقع الخشنة الموجودة على سطح الحاوية، مثل النقوش الموجودة في بعض كؤوس الشمبانيا، يمكن أن تحمي الفقاعات الجديدة من التأثيرات الساحقة للتوتر السطحي، مما يوفر لها فرصة للتشكل والنمو.
تتشكل الفقاعات أيضًا داخل ألياف القماش المجهرية الأنبوبية التي تُركت بعد مسح الزجاج بمنشفة. تنمو الفقاعات بشكل مطرد على هذه الأنابيب، وبمجرد أن تصبح كبيرة بما يكفي، تنفصل وتطفو للأعلى، وتحمل الغاز خارج الحاوية.
ولكن كما يعلم العديد من عشاق الشمبانيا الذين يضعون الفاكهة في كؤوسهم، فإن النقوش السطحية وألياف القماش الصغيرة ليست هي الأماكن الوحيدة التي يمكن أن تتشكل فيها الفقاعات. إن إضافة جسم صغير مثل الزبيب أو الفول السوداني إلى مشروب فوار يؤدي أيضًا إلى تمكين نمو الفقاعات. تعمل هذه الأجسام المغمورة بمثابة أسطح جديدة مغرية للجزيئات الانتهازية مثل ثاني أكسيد الكربون لتتراكم وتشكل الفقاعات.
وبمجرد نمو ما يكفي من الفقاعات على الجسم، يمكن تنفيذ عملية الرفع. معًا، يمكن للفقاعات رفع الجسم إلى سطح السائل. بمجرد وصولها إلى السطح، تنفجر الفقاعات، مما يؤدي إلى إسقاط الجسم مرة أخرى إلى الأسفل. ثم تبدأ العملية مرة أخرى، في حركة رقص عمودية دورية.
رقص الزبيب
الزبيب راقصون جيدون بشكل خاص. يستغرق الأمر بضع ثوانٍ فقط حتى تتشكل فقاعات كافية على سطح الزبيب المتجعد قبل أن تبدأ في الارتفاع للأعلى – تواجه الفقاعات صعوبة في التشكل على الأسطح الأكثر نعومة. عندما يسقط الزبيب في الماء الفوار الذي تم فتحه للتو، يمكنه رقص رقصة التانغو القوية لمدة 20 دقيقة، ثم رقصة فالس أبطأ لمدة ساعة أخرى أو نحو ذلك.
لقد وجدنا أن التدوير، أو الدوران، كان مهمًا جدًا لإقناع الأشياء الكبيرة بالرقص. يمكن للفقاعات التي تلتصق بالجزء السفلي من الجسم أن تبقيه عالياً حتى بعد أن تنفجر الفقاعات العلوية. ولكن إذا بدأ الجسم في الدوران ولو قليلاً، فإن الفقاعات الموجودة أسفله تجعل الجسم يدور بشكل أسرع، مما يؤدي إلى ظهور المزيد من الفقاعات على السطح. وكلما تمت إزالة تلك الفقاعات بشكل أسرع، كلما تمكن الجسم من العودة إلى رقصه العمودي بشكل أسرع.
الأجسام الصغيرة مثل الزبيب لا تدور بنفس القدر مثل الأجسام الأكبر حجمًا، ولكنها بدلاً من ذلك تقوم بالالتواء، وتتأرجح بسرعة ذهابًا وإيابًا.
نمذجة الفلامنكو الشامبانيا
في هذه الورقة، قمنا بتطوير نموذج رياضي للتنبؤ بعدد الرحلات إلى السطح التي نتوقع أن يقوم بها جسم مثل الزبيب. في إحدى التجارب، وضعنا كرة مطبوعة ثلاثية الأبعاد تعمل كنموذج للزبيب في كوب من الماء الفوار الذي تم فتحه للتو. انتقلت الكرة من أسفل الحاوية إلى أعلاها أكثر من 750 مرة في ساعة واحدة.
يتضمن النموذج معدل نمو الفقاعة بالإضافة إلى شكل الجسم وحجمه وخشونة سطحه. كما أنها أخذت في الاعتبار مدى سرعة فقدان السائل للكربنة بناءً على هندسة الحاوية، وخاصة التدفق الناتج عن كل هذا النشاط الفقاعي.
ساعدنا النموذج الرياضي في تحديد القوى التي تؤثر على رقص الجسم بشكل أكبر. على سبيل المثال، تبين أن سحب السائل على الجسم غير مهم نسبيًا، لكن نسبة مساحة سطح الجسم إلى حجمه كانت حاسمة.
وبالنظر إلى المستقبل، يوفر النموذج أيضًا طريقة لتحديد بعض الكميات التي يصعب قياسها باستخدام كميات أكثر سهولة في القياس. على سبيل المثال، بمجرد ملاحظة التردد المتراقص لجسم ما، يمكننا معرفة الكثير عن سطحه على المستوى المجهري دون الحاجة إلى رؤية تلك التفاصيل مباشرة.
رقصات مختلفة في مسارح مختلفة
ومع ذلك، فإن هذه النتائج ليست مثيرة للاهتمام فقط لمحبي المشروبات الغازية. توجد سوائل مفرطة التشبع في الطبيعة أيضًا، والصهارة هي أحد الأمثلة.
عندما ترتفع الصهارة في البركان بالقرب من سطح الأرض، فإنها تنخفض بسرعة، وتندفع الغازات الذائبة من داخل البركان نحو الخروج، تمامًا مثل ثاني أكسيد الكربون الموجود في المياه الغازية. يمكن أن تتشكل هذه الغازات المتسربة على شكل فقاعات كبيرة عالية الضغط وتخرج بقوة تؤدي إلى حدوث ثوران بركاني.
قد لا تتراقص المادة الجسيمية في الصهارة بنفس الطريقة التي يتحرك بها الزبيب في المياه الغازية، لكن الأجسام الصغيرة في الصهارة قد تؤثر على كيفية حدوث هذه الأحداث المتفجرة.
وشهدت العقود الماضية أيضًا ثورانًا من نوع مختلف – آلاف الدراسات العلمية المخصصة للمادة النشطة في السوائل. تبحث هذه الدراسات في أشياء مثل الكائنات الحية الدقيقة التي تسبح وداخل خلايانا المليئة بالسوائل.
معظم هذه الأنظمة النشطة لا توجد في الماء، بل في سوائل بيولوجية أكثر تعقيدًا تحتوي على الطاقة اللازمة لإنتاج النشاط. تمتص الكائنات الحية الدقيقة العناصر الغذائية من السائل المحيط بها لمواصلة السباحة. تحمل المحركات الجزيئية البضائع على طول الطريق السريع في خلايانا عن طريق سحب الطاقة القريبة في شكل ATP من البيئة.
يمكن أن تساعد دراسة هذه الأنظمة العلماء على معرفة المزيد عن كيفية عمل الخلايا والبكتيريا في جسم الإنسان، وكيف تطورت الحياة على هذا الكوكب إلى حالتها الحالية.
وفي الوقت نفسه، يمكن للسائل نفسه أن يتصرف بشكل غريب بسبب التركيب الجزيئي المتنوع والأجسام التي تتحرك داخله. تناولت العديد من الدراسات الجديدة سلوك الكائنات الحية الدقيقة في سوائل مثل المخاط، على سبيل المثال، والذي يتصرف مثل كل من السائل اللزج والهلام المرن. لا يزال أمام العلماء الكثير ليتعلموه عن هذه الأنظمة شديدة التعقيد.
في حين أن الزبيب الموجود في المياه الغازية يبدو بسيطًا إلى حد ما عند مقارنته بالكائنات الحية الدقيقة التي تسبح عبر السوائل البيولوجية، إلا أنه يوفر طريقة سهلة لدراسة السمات العامة في تلك الإعدادات الأكثر تحديًا. في كلتا الحالتين، تستخرج الأجسام الطاقة من بيئتها السائلة المعقدة بينما تؤثر عليها أيضًا، ويترتب على ذلك سلوكيات رائعة.
وسوف تستمر رؤى جديدة حول العالم المادي، من الجيوفيزياء إلى علم الأحياء، في الظهور من خلال التجارب التي تُجرى على سطح الطاولة ــ وربما من المطبخ مباشرة.
تم إعادة نشر هذا المقال من The Conversation، وهي منظمة إخبارية مستقلة غير ربحية تقدم لك حقائق وتحليلات جديرة بالثقة لمساعدتك على فهم عالمنا المعقد. كتب بواسطة: سافيريو إيريك سبانيولي، جامعة ويسكونسن ماديسون
اقرأ أكثر:
تم تقديم الدعم لهذا البحث من قبل مكتب نائب رئيس الجامعة للأبحاث والتعليم العالي بتمويل من مؤسسة أبحاث خريجي ويسكونسن، ومن خلال التبرعات لبرنامج AMEP (الرياضيات التطبيقية والهندسة والفيزياء)، في جامعة ويسكونسن- ماديسون.