السوائل يمكن أن تتشقق وتنكسر تماما مثل المواد الصلبة

في اكتشاف يمكن أن يعيد تشكيل ميكانيكا الموائع، أظهر باحثون في جامعة دريكسل الأمريكية أنه في ظل ظروف معينة، يمكن لسائل بسيط أن يتصرف كجسم صلب ويتشقق، وينكسر.

ومن خلال التجارب التي أجراها الباحثون وجدوا، عند شد بعض السوائل بقوة كافية، فإنها لا تصبح رقيقة وتتدفق فحسب، بل تنكسر فجأة بكسر حاد، تمامًا مثل المعدن تحت الضغط.

تقول الدكتورة ثاميريس ليما، الأستاذ المساعد في كلية الهندسة بجامعة دريكسل، التي ساهمت في قيادة البحث، في تصريحاتها الخاصة للجزيرة نت: "لم أكن أتوقع أن تنكسر السوائل البسيطة بهذه الطريقة الشبيهة بالمواد الصلبة في ظل هذه الظروف"

وتضيف: "تقليديا، نتصور السوائل البسيطة كمواد تتدفق وتتشوه باستمرار، بينما تتشوه المواد الصلبة المرنة أو تتشقق أو تنكسر بشكل منفصل، وقد لوحظ سلوك مشابه للانكسار في السوائل المعقدة أو شديدة المرونة (أي السوائل ذات السلوك الشبيه بالمواد الصلبة)، لكن ما أثار دهشتنا هنا هو أن هذه السوائل كانت بسيطة، ذات لزوجة عالية، ومع ذلك فقد انكسرت بخصائص تبدو مشابهة بشكل ملحوظ للمواد الصلبة".

مصدر الصورة

اللزوجة والمرونة

بحسب الدراسة التي نشرتها دورية "فيزيكال ريفيو ليترز" (Physical Review Letters)، فإن هذا السلوك المثير للدهشة، يبدو أنه مرتبط باللزوجة، وليس بالمرونة، مما يتحدى الافتراضات السائدة منذ زمن طويل حول سلوك السوائل، إذ إن السوائل اللزجة يمكن أن تنكسر فجأة عند شدها بقوة كافية، كما أن اللزوجة، أو مقاومة السائل للتدفق، تلعب دورا أكبر بكثير في سلوكه الميكانيكي مما كان يعتقده العلماء سابقا.

تقول ثاميريس للجزيرة نت: "اللزوجة هي مقياس لمدى مقاومة المادة للتدفق. فالعسل، على سبيل المثال، يتمتع بلزوجة أعلى بكثير من الماء. أما المرونة، فهي قدرة المادة على تخزين الطاقة واستعادة شكلها بعد تشوهها، كما هو الحال في الشريط المطاطي. لم يتضح بعد تماما كيف تتيح اللزوجة ظاهرة التصدع هذه"

وتضيف: "والخلاصة المهمة هي أن بدء التصدع لا يتطلب بالضرورة أن تكون المادة مرنة في الغالب، بل إن الإجهاد في سائل بسيط يتناسب طرديًا مع لزوجته ومعدل تشوهه".

وتوضح الباحثة أنه إذا تراكم في السائل إجهاد كاف، فقد يصل إلى قيمة حرجة، تتراوح بين 1 و3 ميغاباسكال في تجاربهم، مما يؤدي إلى انهيار السائل بطريقة مشابهة لانهيار المواد الصلبة.

وبحسب الدراسة، يبدو أن التشابه بين الإجهاد الحرج للسوائل البسيطة والسوائل المرنة اللزجة يشير إلى أن آلية بدء التصدع في كلا المادتين متشابهة ولا تعتمد على درجة المرونة.

ومع ذلك، كما توضح ثاميريس، من المهم ملاحظة أنه بينما لا يعتمد الإجهاد الحرج على المرونة، فإن ديناميكيات التصدع تعتمد على مقدار المرونة. فبينما تميل السوائل المرنة اللزجة إلى التصدع بشكل يشبه صوت البوق، تتشقق السوائل البسيطة بشكل هش.

مصدر الصورة

كيف تتشقق السوائل البسيطة؟

وبحسب الدراسة، فإنه عند شد هذه السوائل البسيطة عالية اللزوجة، تتشوه في البداية كالسوائل العادية، ولكن بمجرد أن يصل إجهاد الشد إلى عتبة حرجة، ينكسر الجسم فجأة.

وتضيف ثاميريس: "نعتقد أن هذا يبدأ على الأرجح بتكون تجويف داخلي صغير، ينمو بسرعة ويتحول إلى صدع".

وحول تأثير هذا الاكتشاف على ميكانيكا الموائع، تقول الباحثة للجزيرة نت: "تُشكك هذه النتائج في الفكرة التقليدية القائلة بأن بدء التشقق في الموائع يعتمد على درجة المرونة أو البنية الداخلية المعقدة، ويُوسّع هذا من فهمنا للحدود الفاصلة بين السوائل والمواد الصلبة، ويُشير إلى أن ميكانيكا الكسر قد تكون أكثر صلة بالسوائل مما كان يُعتقد سابقًا".

وتضيف: "قد يُؤثر ذلك على كيفية فهمنا وتصميمنا للعمليات التي تتضمن سوائل عالية اللزوجة، بما في ذلك التدفقات الصناعية، وغزل الألياف، والطباعة، والطلاء، والسوائل البيولوجية، وغيرها من الأنظمة التي تتعرض فيها السوائل للشد أو الفصل السريع".