راز آشفتگی در مایعات غیرنیوتنی: قدمی به سوی پیش‌بینی جریان خون
دانشمندا تو فیزیک یه قدم به کشف یه مدل ریاضی کامل برای پیش بینی جریان خون و بقیه مایعات عجیب غریب نزدیک شدن. این رفتارهای غیرمعمول دهه هاست که ذهن محققارو درگیر کرده.
شاید باور نکنین، ولی خون وقتی یه فشار کوچیکی بهش وارد بشه، یه کم تغییر شکل میده. جالبتر اینکه، وقتی یه نیروی قوی و ناگهانی بهش وارد میشه، سفت میشه، از یه ماده رقیق و آبکی به یه ماده غلیظ‌تر و تقریبا جامد تبدیل میشه.
یه مثال دیگه (که بهداشتی تره) اون آزمایش قدیمی تو دوران مدرسه است که با نشاسته ذرت و آب قاطی میکردن. اگه آروم همش بزنین، هیچ اتفاق خاصی نمیفته، ولی اگه یه مشت از اون مخلوط رو فشار بدین، سفت میشه و شکل یه توپ لاستیکی رو به خودش میگیره. دستتون رو باز کنین، دوباره مثل مایع روان میشه.
این اتفاقی که افتاده، نمونه ای از یه سیال غیرنیوتنیه. این نوع مایع با قانون گرانروی نیوتن مخالفه و به جای اون، رابطه عجیب و غریبی بین تنش (نیروهایی که به مایع وارد میشه) و کرنش (مقدار تغییر شکل مایع در پاسخ به نیرو) داره.
اما این تنها چیز عجیب و غریب راجب مایعات غیرنیوتنی نیست. اونا همچنین یه حرکت سیال آشفته خاصی به نام آشفتگی الاستیک از خودشون نشون میدن که فقط تو این مایعات وجود داره، نه تو مایعات نیوتنی که مطیع قوانین هستن.
آشفتگی، چه از هر نوعی که باشه، جریان آرام و مرتب رو به یه آشفتگی درهم و برهم تبدیل میکنه. تو کارخونه ها، این آشفتگی باعث میشه هم زدن یا پمپاژ کردن مایعات سخت بشه – یا یه قایق سواری روی یه رودخونه پرجریان رو تبدیل به یه تجربه پر از تکون شدید کنه.
آشفتگی معمولا تو سرعت های جریان بالا اتفاق میفته، و هرچند که یه پدیده آشناست، اما توصیف آشفتگی در انواع مختلفش “هنوز هم یکی از مشکلات حل نشده تو فیزیک کلاسیکه”، طوریکه محققای پشت این مطالعه جدید روی آشفتگی الاستیک ادعا می کنن.
دانشمندا تو دهه ۱۹۹۰ کشف کردن که تو محلول‌های آبی حاوی پلیمرها – که زنجیره‌های مولکولی بلند و تکرارشونده هستن – خاصیت ارتجاعی کشیده شدن و جمع شدن پلیمرها باعث میشه جریان‌های آرام (Laminar) ناپایدار بشن.
بعدش تو اوایل قرن ۲۱ به یه چیز جالبتر رسیدن، اونم آشفتگی الاستیک (Elastic Turbulence) بود که تو جریان‌های آرام و آهسته که معمولا صاف هستن، به وجود میاد.
فکر می‌کنن آشفتگی الاستیک تو سیالات غیر نیوتنی به وجود میاد، سیالاتی که از ذرات فوق‌العاده ریز، پلیمرها یا سلول‌های میکروسکوپی معلق تو مایعات آبکی تشکیل شدن. این پدیده از نحوه‌ی حرکت و برهم‌کنش این ذرات ناشی میشه و اگه ذره‌ای تو محلول نباشه، این پدیده هم دیگه رخ نمی‌ده.
تا قبل از این، دانشمندا فکر میکردن آشفتگی الاستیک با آشفتگی کلاسیک سیالات نیوتنی که رفتار قابل پیش‌بینی‌تری دارن، کاملا فرق داره. اما طبق مدل‌سازی جدید این تیم، شاید این دو پدیده شباهت‌های بیشتری نسبت به چیزی که قبلا فکر می‌کردیم داشته باشن.
تیمی به رهبری مارکو راستی، مهندس هوافضا که تو موسسه‌ی علوم و تکنولوژی اوکیناوی ژاپن روی دینامیک سیالات کار میکنه، سرعت جریان سیالات غیر نیوتنی با آشفتگی الاستیک رو اندازه‌گیری کرده و اختلاف سرعت رو تو سه نقطه محاسبه کردن، نه دو نقطه‌ای که معمولا برای اندازه‌گیری و مطالعه‌ی آشفتگی کلاسیک استفاده میشه.
اون‌ها کشف کردن که سیالات غیر نیوتنی با آشفتگی الاستیک، نوسان‌های لحظه‌ای تو سرعت رو تو سرعت‌های جریان آهسته نشون میدن، درست شبیه سیالات نیوتنی تو جریان‌های پر سرعت. این کشف بهشون کمک کرد تا بتونن پیش‌بینی‌های آماری در مورد رفتار سیال غیر نیوتنی انجام بدن.
راستی توضیح میده: «نتایج ما نشون میده که آشفتگی الاستیک یه افت انرژی با قانون توانی جهانی و یه رفتار متناوب تا الان ناشناخته داره. این یافته‌ها به ما اجازه میده که به مشکل آشفتگی الاستیک از زاویه‌ی جدیدی نگاه کنیم.»
این تحقیق یه پیشرفت دیگه توی دنیای فیزیک به حساب میاد. فیزیکدانا دارن کم‌کم یه سر و سامونی به مایعات غیر نیوتنی میدن. این مایعات با خاصیت‌های عجیب‌شون از دهه ۱۹۳۰ ذهن دانشمندا رو مشغول کرده بودن. آخه تو اون زمان نه دستگاه درست و حسابی‌ای داشتن، نه کامپیوتری که بتونه جریان مایعات رو اندازه‌گیری و شبیه‌سازی کنه؛ برعکسِ امروز ما.
سال ۲۰۱۹، محققای مؤسسه تکنولوژی ماساچوست (MIT) یه مدل سه‌بعدی ساختن که می‌تونست بگه چطوری مخلوط‌های ذرات خیلی ریز، مثلا مخلوط نشاسته و آب، زیر شرایط مختلف از مایع به جامد و برعکس درمیان.
این مدل می‌تونه تو صنعت خیلی کاربردی باشه. مثلا به محققا کمک میکنه که رفتار این مایعات رو موقع حرکت بین مخزن‌های کارخانه‌ها پیش‌بینی و کنترل کنن.
مدل جدیدی که تیم آقای رُستی درست کردن هم می‌تونه کاربردهای مشابهی داشته باشه.
خود آقای رُستی میگه: «اگه یه همچین تئوری بی‌نقصی وجود داشته باشه (که البته معلوم نیست!) می‌تونیم راجع به جریان مایعات پیش‌بینی کنیم و وسایلی طراحی کنیم که مخلوط شدن مایعات رو تغییر بدن. این می‌تونه تو کار با محلول‌های زیستی، مثل خون اهدایی و مایع لنفاوی، خیلی به درد بخوره.»
یا حتی وقتی داریم با سس گوجه، فرنی و خمیر دندان ور می‌زنیم، سه نمونه‌ی دیگه از مایعات غیر نیوتنی که تو زندگی روزمره باهاشون سروکار داریم.
این تحقیق تو مجله‌ی Nature Communications منتشر شده.
