حل طالب لغز التصاق فقاعات الغاز بجدران الأنابيب الشعرية العمودية
مؤخرًا حل طالب جامعي السؤال الذي حير الفيزيائيون لأكثر من نصف قرن وهو: لماذا تبدو فقاعات الغاز وكأنها عالقة بداخل الأنابيب الشعرية العمودية؟، إذ يمكن أن يساعدنا الجواب في فهم سلوك الغازات الطبيعية المحجوزة في الصخور المسامية.
منذ سنوات لاحظ الفيزيائيون أن فقاعات الغاز الموجودة في الأنابيب الشعرية المملوءة بسائل ما لا تتحرك، وقال الكاتب المخضرم جون كولينسكي John Kolinski، أستاذ مساعد في قسم الهندسة الميكانيكية في المعهد الفيدرالي السويسري للتكنولوجيا في لوزان: «بأنه نوع من التناقض».
إذ أن فقاعات الغاز أقل كثافة من كثافة السائل المحيط بها لذلك يجب أن ترتفع لأعلى الأنبوب (مثلما ترتفع فقاعات الهواء في كأس من الماء الفوار للأعلى). وعلاوةً على ذلك فإن المقاومة الوحيدة للتدفق داخل سائل ما تنتج عندما يكون السائل متحركًا ولكن في حالتنا السابقة كان السائل ثابتًا.
ولحل قضية الفقاعة العنيدة قرر كولينسكي ووسيم داوهدي Wassim Dhaouadi، الذي كان طالبًا جامعيًا في كلية الهندسة وكان يعمل بمخبر كولينسكي آنذاك، وهو الآن يدرس الماجستير في جامعة زورتش Zurich، التحقق من الأمر باستخدام طريقة تدعى بالتدخل المجهري.
وقال كولينسكي: «هذه الطريقة هي نفسها التي استخدمها مرصد أمواج الجاذبية الليزري للكشف عن موجات الجاذبي». ولكن في هذه الحالة استخدم الباحثون مجهرًا مُصمم خصيصًا يسلط الضوء على العينة ويقيس الشدة الضوئية المرتدة.
ويختلف ارتداد الضوء بحسب السطح المسلط عليه الضوء، لذلك فإن قياسات كمية الضوء المرتد يمكن أن تساعد الباحثين في تحديد ثخانة المادة.
واعتمادًا على هذه الطريقة بحث العلماء عن فقاعة عائمة محجوزة بداخل أنبوب شعري مملوء بكحول الإيزوبروبانول isopropanol الذي مكّنهم من إجراء تجربة تنظيف ذاتي، والتي تُعد مهمةً وضروريةً من أجل الحصول على نتائج دقيقة وصحيحة، إذ يمكن أن تتأثر النتيجة بأي نوع من التلوث.
بحث الباحثون بدءًا من العالم بريذرتون Bretherton في الستينيات في هذه الظاهرة من الناحية النظرية ولم تُقاس مباشرةًً من قبل، وقال كولينسكي: تقترح بعض الحسابات بأن الفقاعة المحاطة بطبقة رقيقة جدًا من السائل المحيط بها تلامس جوانب الأنبوب والتي يتقلص حجمها ببطء حتى تختفي». وتخلق هذه الطبقة الرقيقة مقاومة لحركة الفقاعة كلما حاولت أن ترتفع.
ولاحظ الباحثون بالفعل هذه الطبقة الرقيقة جدًا حول فقاعة الغاز وبلغت ثخانتها بقياس العلماء حوالي 1 نانومتر التي تخمد حركة الفقاعة كما توقع العمل النظري، ووجدوا أيضًا أن طبقة السائل (التي تتشكل لأن الضغط داخل فقاعة الغاز يضغط على جدران الأنبوب) لا تختفي وإنما تبقى بثخانة ثابتة في جميع الأوقات.
وقال كولينسكي: «بناءً على قياساتهم للطبقة الرقيقة من السائل فقد تمكنوا أيضًا من تقدير سرعتها، ووجدوا أن فقاعة الغاز ليست عالقةً على الإطلاق وإنما تتحرك ببطء شديد جدًا غير مرئي للعين المجردة بسبب المقاومة الناجمة عن الطبقة الرقيقة»، وأضاف: «وتمكنوا أيضًا بواسطة تسخين السائل والفقاعة من جعل الطبقة الرقيقة تختفي وهي فكرة جديدة قد تكون مثيرةً لاستكشافها في البحوث المستقبلية».
ومن المحتمل أن تساعد نتائجهم في مجال علوم الأرض، فكلما كان لديك غاز محجوز في وسط مسامي كالغاز الطبيعي في الصخور المسامية، أو إذا كنت تحاول سلك الاتجاه المعاكس وحجز غاز ثاني أوكسيد الكربون بداخل الصخور وبالتالي ستحصل على الكثير من فقاعات الغاز المحجوزة في الخلاء.
وقال كولينسكي: «دراستنا تتعلق بفيزياء طريقة حصر فقاعات الغاز»، وأضاف: «ولكن الجزء الآخر من المتعة أن هذه الدراسة تظهر إمكانية الحصول على مساهمات قيمة من الكثير من الأشخاص على مستويات مهنية مختلفة، وأن داوهدي قاد المشروع نحو نتيجة ناجحة».
اقرأ أيضًا:
هل المياه الغازيّة جيّدة بقدر جودة المياه العادية؟
ما هو سبب فوران المشروبات الغازية (الصودا) إذا تم رجها؟
ترجمة: يزن باسل دبجن
تدقيق: حسام التهامي
مراجعة: آية فحماوي
