طالب يكتشف طريقة جديدة لحل لغزا فيزيائيا حير العلماء منذ 100 عام حول فقاعات الغاز

حل طالب بمدرسة لوزان الاتحادية للفنون التطبيقية بسويسرا لغزا حير العلماء منذ 100 عام، حيث اكتشف لماذا تبدو فقاعات الغاز عالقة في أنابيب عمودية ضيقة بدلا من أن ترتفع.

ووفقا لأبحاثه وملاحظاته، فإنه يتشكل شريط رفيع للغاية من السائل حول الفقاعة، ويمنعها من الارتفاع بحرية، كما توصل إلى أن الفقاعات ليست عالقة على الإطلاق وإنما تتحرك ببطء شديد للغاية

ويمكن للقوانين الأساسية للعلوم تفسير الآلية الكامنة وراء طفو فقاعات الهواء في كوب من الماء بحرية على السطح، ومع ذلك، لا يمكن لقوانين العلوم نفسها تفسير سبب عدم ارتفاع فقاعات الهواء في أنبوب بسماكة بضع ملليمترات بالطريقة نفسها.

ولاحظ الفيزيائيون لأول مرة هذه الظاهرة منذ ما يقارب قرنا من الزمن، لكنهم لم يتمكنوا من الخروج بتفسير، حيث أنه نظريا يجب ألا تواجه الفقاعات أي مقاومة ما لم يكن السائل في حركة، لذلك يجب ألا تواجه الفقاعة العالقة أي مقاومة.

وفي ستينات القرن الماضي، طور عالم يدعى بريثيرتون صيغة تعتمد على شكل الفقاعات لتفسير هذه الظاهرة. افترض باحثون آخرون منذ ذلك الحين أن الفقاعة لا ترتفع بسبب طبقة رقيقة من السائل تتشكل بين الفقاعات وجدار الأنبوب. لكن هذه النظريات لا يمكن أن تفسر تماما لماذا لا ترتفع الفقاعات إلى الأعلى.

والآن، لم يتمكن طالب الدكتوراه في مختبر هندسة الميكانيكا للواجهات اللينة (EMSI) بمدرسة لوزان الاتحادية للفنون التطبيقية، وسيم الذوادي، من مشاهدة الشريط الرقيق للسائل فحسب، بل وقياسه أيضا ووصف خصائصه، وهو ما لم يتمكن العلماء من القيام به من قبل على الإطلاق.

وأظهرت النتائج التي توصل إليها أن الفقاعات لم تكن عالقة، كما كان يعتقد العلماء سابقا، ولكنها تتحرك في الواقع إلى الأعلى ببطء شديد.

ويمثل بحث الذوادي، الذي نشر مؤخرا، المرة الأولى على الإطلاق التي يتم فيها تقديم دليل تجريبي لاختبار النظريات السابقة.

واستخدم الذوادي ورئيس مختبر هندسة الميكانيكا للواجهات اللينة، جون كولينسكي، طريقة التداخل البصري لقياس الشريط، ووجدا أنه لا يتجاوز سمكه بضع عشرات من النانومتر.

وتضمنت الطريقة توجيه الضوء إلى فقاعة الهواء داخل أنبوب ضيق وتحليل شدة الضوء المنعكسة، وباستخدام تداخل الضوء المنعكس من الجدار الداخلي للأنبوب ومن سطح الفقاعة، قاموا بقياس سماكة الشريط بدقة.

واكتشف الذوادي أيضا أن الشريط يغير شكله إذا تم تطبيق الحرارة على الفقاعة ويعود إلى شكله الأصلي بمجرد إزالة الحرارة.

ويقول كولينسكي: "هذا الاكتشاف يدحض أحدث النظريات القائلة بأن الشريط سوف ينضب إلى الصفر".

وتُظهر هذه القياسات أيضا أن الفقاعات تتحرك فعليا، وإن كان ببطء شديد بحيث لا يمكن رؤيتها بالعين البشرية. و"نظرا لأن الشريط بين الفقاعة والأنبوب رقيق جدا، فإنه يخلق مقاومة قوية للتدفق، ما يؤدي إلى إبطاء ارتفاع الفقاعات بشكل كبير"، وفقا لما ذكره كولينسكي.

تتعلق هذه النتائج بالبحث الأساسي ولكن يمكن استخدامها لدراسة ميكانيكا الموائع على نطاق نانومتري، خاصة للأنظمة البيولوجية.

وقال الطالب التونسي، وسيم الذوادي: "كنت سعيدا بتنفيذ مشروع بحثي في وقت مبكر من المنهج الدراسي. إنه أسلوب جديد للتفكير والتعلم وكان مختلفا تماما عن مجموعة الواجبات الدراسية المنزلية، حيث تعرف أن هناك حلا، على الرغم من أنه قد يكون من الصعب العثور عليها. في البداية".

وأضاف كولينسكي: "قام وسيم باكتشاف استثنائي في مختبرنا، كنا سعداء لتعامله معنا".

وزير التربية السوري يؤكد رصد 355 ألف طالب بحاجة برنامج تعليمي خاص