در این فصل جدید از کابینه کنجکاوی ها ، ما به یک راز 400 ساله می پردازیم که یکی از جذاب ترین اشیاء در جهان علمی را احاطه کرده است. دستکش و عینک ایمنی خود را بپوشید ، برای خود چای خوب درست کنید ، و برویم!
—
کشف شکارچیان علم ! هر شنبه دوم ، خود را در غرق شدن در کنار ماجراجویان و محققان ، بیماران و قهرمانانی که تاریخچه کوچک و بزرگ علم را نوشته اند ، غرق کنید.
—
" افتخار مانند این حباب شیشه ای است
کسی که این همه دردسر را به فیلسوفان می دهد ،
هنگامی که کوچکترین قسمت آن شکسته شود ، کل آن تبخیر می شود ،
و این باعث از بین رفتن روحیه ای می شود که می دانند چرا "
(ساموئل باتلر ، Hudibras ، قسمت دوم ، Canto II ، حدود 385-89)
شگفت انگیز ، پرشور ، ضد شهودی ، مصنوعی که امروزه توجه ما را به خود جلب می کند ، احتمالاً مستحق این است که در پانتئون کنجکاوی های علمی گنجانده شود. بخاطر اسرار آن ، عملکرد آن بیش از 400 سال یک راز باقی مانده است. اما برخلاف برخی از اجسامی که فقط در آنجا نشسته اند و منتظرند کسی جادوی خود را آشکار کند ، اشک شیشه ساز هرگز از تماشای تماشای تماشاگران و شادی آنها لذت نمی برد.
مورخان تصور می کنند که اشک شیشه ساز از ابتدای دوران مشترک شناخته شده است ، زمانی که امپراتوری روم هنوز برتری خود را بر اروپا ، شمال آفریقا و خاورمیانه برقرار کرد. با این حال ، در قرن هفدهم – دقیقتر در 1625 – وجود آن برای اولین بار در شیشه ای مکلنبورگ ، آلمان اثبات شد. در فرانسه ، به آن اشک باتاویان نیز می گویند ، احتمالاً از آنجا که سفیر پیر چانوت چندین نسخه از هلند را در سال 1649 بازگردانده است. اما این ورود آن به انگلستان توسط شاهزاده روپرت از راین در 1660 بود که نام مستعار آن را با دوام تر کرد: شاهزاده نقرس روپرت.
تصویر قطره شدن شاهزاده روپرت از حساب قطره های شیشه ای (1661) ، اثر سر رابرت مورای. © سر رابرت مورای ، انجمن سلطنتی
این مورد کنجکاوی خیلی سریع توجه علاقه مندان به علم و محافل پرورشی را به خود جلب می کند که مکرراً در آثار ادبی و مجله معروف ساموئل پپیس به آن اشاره می کنند . و به دلایل خوب! دومی می گوید چگونه ، در یک شام ، پیتر هونیوود تجربه ای را که اخیراً در مورد آن شنیده است به مجمع ارائه می دهد. برای انجام این کار ، چندین قطره بلند شیشه تولید می شود که ضخامت آن احتمالاً یک اینچ است و با یک دم انعطاف پذیر و مخروطی مشخص می شود که بی شباهت به بیان ساده تاژک اسپرم نیست . هونیوود با گرفتن یکی از آن اشکهای سبز شفاف ، انتهای آن را به شکلی هوشمندانه می شکند و زیر چشم های حیرت زده مهمانان ، این شیء در یک لحظه بخار می کند و به یک میلیون ذره درخشان تبدیل می شود. پپیس در این باره اظهار نظر می کند: " این برای من یک راز بزرگ است. "
Destin Sandler ، نویسنده کانال YouTube Smarter Every Day ، در رساندن قطره اشک باتاوی به عموم مردم نقش بسزایی داشته است. او این را در اینجا نشان می دهد. © هر روز هوشمندتر ، YouTube
او البته تنها کسی نیست که به اشک شیشه ساز علاقه داشته باشد. در انگلستان ، قطره هایی که توسط شاهزاده روپرت به پادشاه چارلز دوم سپرده شد ، به نوبه خود به انجمن سلطنتی ، که یک سال قبل تأسیس شد ، منتقل می شود. طولی نمی کشد که پارادوکسی را که نمک این جسم را بسیار شگفت آور می کند ، مطرح کنید: در حالی که شکستن ساده دم باعث می شود آن را به هزاران قطعه برسانید ، به نظر می رسد که سر پیازی به راحتی در برابر ضربات چکش مقاومت می کند و معاون انبردست او همچنین به جزئیات مهمی اشاره می کند که تا دیرتر قابل درک نخواهد بود: با پر کردن سطح قطره ، محققان متوجه می شوند که این مقاومت شیشه در برابر حملات فلز فقط تا ضخامت خاصی گسترش می یابد.
دانشمند دیگری ، که نامش شاید برای خوانندگان کابینه کنجکاوی ها آشنا باشد ، نیز در حال بررسی مسئله این قطره های اسرار آمیز است و چندین تصویر از آنها را در میکروگرافی خود قرار داده است . البته این رابرت هوک است که تحت عنوان این معما آزمایشهای متعددی را انجام می دهد تا منشا این پدیده را درک کند. نه صفحه مشاهده ای وی در این زمینه ، که در اینجا گزیده ای بسیار کوتاه است ، نمای جذابی از رویکرد علمی گسترده آن را ارائه می دهد : "من برخی را در هوا آزاد کردم ، یک تکه کوچک از ساقه را با انگشتانم شکستم ، برخی دیگر با خرد کردن آنها انبردست کوچک ؛ به محض انجام این وظیفه ، تمام قطره به شدت ، با صدایی بسیار سوراخ کننده ، در تعداد زیادی قطعه کوچک ، که برخی از آنها به اندازه گرد و غبار […] بود ، پرواز کرد. آنها به شدت در همه جهات پراکنده شدند که برخی از آنها پوست مرا سوراخ کردند. "
در میان مجموعه ای از آزمایشاتی که هوک انجام داد ، یکی شامل پوشاندن چند قطره از این قطره با چسب و پیچاندن آنها در پوست ماهی شفاف است تا مشاهده شود چه اتفاقی می افتد زمانی که قطعات قادر به پرواز نیستند. دانشمند فقیر آدرین اوزوت همچنین از کریستین هویگنس می خواهد که چندین قطره از لاهه برای او ارسال کند تا آزمایش خود را بازتولید کند (ظاهراً تولیدکنندگان فرانسوی در تولید این اجسام با مشکل روبرو هستند) ، اما همه اشکها در راه خود شکسته می شوند. خوشبختانه ، آزمایش مشابهی که توسط یوتیوبر با رزین اپوکسی انجام شد ، به ما امکان می دهد آنچه را که هوک در زمان خود مشاهده کرده بود ، درک کنیم.
سه قرن و نیم پس از رابرت هوک ، jedrek29t الگوهای شکست اشک باتاویان را با رزین اپوکسی به عنوان چسب و چرم ماهی ثبت می کند. © jedrek29t ، YouTube
دقیقاً به لطف این اثر محافظت شده در پوست ماهی است که هوک موفق شد 300 سال قبل از دیگران عناصر کلیدی این پدیده را درک کند. او ابتدا به دلایلی اشاره می کند که به گفته خودش خاص مواد خیس شده است – یعنی به سرعت در آب غوطه ور می شود در حالی که آنها هنوز در حالت مذاب هستند تا ناگهان آنها را خنک کند. از طرف دیگر ، او اشاره می کند که این روش خاص باعث می شود قسمت بیرونی قطره بسیار سریعتر از داخل آن استحکام یابد و یک بازی انقباضی بین این دو سطح ایجاد می کند که باعث استحکام اشک می شود. او "بافت" قطره را به ساختار قوس جذب می کند و در نهایت ثابت می کند که ترکیدن اشک به دلیل خاصیت کشسانی آن است. با این حال ، همانطور که خواهیم دید ، این روح درخشان نمی تواند به واقعیت نزدیک تر باشد.
تصویری از اشک های باتاویان و ساختار آنها در Micrographia ، کتاب علمی متعالی که توسط رابرت هوک نوشته و تصویرسازی شده است. © کتابخانه ملی ولز
در واقع ، در سال 1920 ، مهندس مکانیک آلن آرنولد گریفیت کار خود را در زمینه تنش الاستیک ، شکست شکننده و خستگی فلزات منتشر کرد. این مقاله (که در حال حاضر کلاسیک است) ما به نویسنده بیوگرافی خود در ویکی پدیا اطمینان می دهیم) ، مفروضات هوک در مورد انتشار ترک در مواد شکننده را تأیید می کند ، اما به نوبه خود قرن بیست و یکم طول می کشد که این پدیده به طور کامل روشن شود. در سال 1994 ، سرینیوسان چاندراسکار ، استاد مهندسی در دانشگاه پردو و تیمش ، قطره های پشت سر هم را با دوربین پرسرعت فیلمبرداری کردند و نزدیک به یک میلیون فریم در ثانیه ثبت کردند.
Srinivasan Chandrasekar و همکارانش با استفاده از عکاسی با سرعت بالا ، ترکش قطره قطره شدن شاهزاده روپرت را با جزئیات بی سابقه ثبت کردند. این واقعیت که قطعات با تصویربرداری نزدیک به یک میلیون فریم در ثانیه تار به نظر می رسند ، گویای سرعت پاشش قطره است. © Srinivasan Chandrasekar و همکاران ، دانشگاه پردو
بنابراین آنها برای اولین بار نحوه شکستن شیشه از دم به سر را مشاهده می کنند و از طرف دیگر استنباط می کنند که در حالی که قسمت داخلی قطره تحت فشار فشاری قرار می گیرد ، قسمت داخلی به سادگی در کشش است. تنها کاری که برای آنها باقی مانده است تعیین نقشه توزیع این نیروها در داخل قطره اشک است ، که در نهایت به لطف قطبیت سنجی در سال 2016 به انجام رسیدند. بنابراین بیایید اکنون سعی کنیم آنچه را که از این چهار قرن تحقیق علمی آموخته ایم خلاصه کنیم.
تجزیه و تحلیل ساختار قطره اشک باتاویان به لطف نور قطبی ، سرانجام این امکان را فراهم می کند که حجاب بر اسرار چهار قرن پیش برداشته شود. © Srinivasan Chandrasekar و همکاران ، دانشگاه پردو
بیایید با پاسخ به اولین سوال شروع کنیم. سر قطره اشک باتاویان – یک پیاز شیشه ای معمولاً در ضخامت بیشتر از سه یا چهار سانتی متر در گسترده ترین نقطه اش – چگونه در برابر ضربات چکش مقاومت می کند؟ یا حتی تا 15000 نیوتن فشار ، محققان به ما می گویند (یا حتی اگر تا 68 تن وزن داشته باشیم اگر بخواهیم پیروان پرس هیدرولیک را در یوتیوب باور کنیم). روبرت هوک قبلاً حدس زده بود: این به دلیل فرآیند خیساندن است که در خنک کننده دو مرحله ای شیشه شرکت می کند.
هنگامی که در آب غوطه ور می شوید ، قسمت خارجی قطره تقریباً فوراً سرد می شود و با انقباض روی خود سفت می شود. ما از حالت فشرده سازی صحبت می کنیم. در داخل این پوسته ، خمیر شیشه هنوز گرم ، مایع و بیش از هر چیز متسع است. هنگامی که این دما به نوبه خود کاهش می یابد ، همچنین می کوشد با کشیدن قسمت بیرونی قطره به سمت مرکز خود ، منقبض شود. سپس ما از حالت تنش صحبت می کنیم.
توضیحی در مورد نیروهای کششی و فشاری درگیر ، با توضیحات بسیار مفید ارائه شده توسط وب سایتMSE Student نشان داده شده است. © اما هولن
اگر قطره در هوای آزاد خنک می شد ، پوسته بیرونی ، هنوز به اندازه کافی نرم بود ، می توانست کمی بیشتر تحت فشار قلب منقبض شود و این تنش را تا حد زیادی از بین ببرد. اما ، همانطور که همین الان گفتیم ، وقتی لایه داخلی سعی می کند روی آن بکشد ، این یکی کاملاً سفت است. این امر منجر به تنش باقیمانده می شود ، تعادلی از نیروها که در مورد نقرس آن را در برابر حملات از خارج به داخل مقاوم می کند ، اما در صورت حمله از داخل بسیار شکننده است. تقریباً اگر یک طاق روی آن بایستید حتی قوی تر می شود ، اما اگر بخواهید بلوک های سنگی آن را از داخل قوس به عقب برانید ، فرو می ریزد ، از این رو قیاس هوک!
بخش ساختاری توخالی (HSS) بر اساس مجموعه ای از تنش های باقی مانده است تا بتواند بارهای بسیار زیادی را تحمل کند. برش یک بلوک HSS با اره مدور نشان می دهد که چگونه مواد می خواهند به بیرون بچرخند. © سیمپروف
اگر این استدلال را دنبال کرده اید ، به راحتی خواهید فهمید که چرا پارگی ساقه اشک باعث ترکیدن آن می شود. همانطور که گفتیم ، ضربه چکش در قسمت بیرونی لامپ فقط تا حدی آن را قوی تر می کند. اما یک شکستگی منفرد از داخل قطره به خارج برای رهایی تنش های باقی مانده و ترکیدن ساختار کافی است. اگرچه ساختار دم به همان شکل لامپ است ، اما بسیار نازک تر است و بنابراین ، شکستن با انبردست یا با دست بسیار راحت تر است. این شکست سپس نقطه شروع را برای وقفه ای که در داخل قطره با سرعتی غیرقابل تصور منتشر می شود ، می دهد: بین 1450 تا 1900 متر در ثانیه ، یا بیش از پنج برابر سرعت صوت ! ( توجه برای خوانندگان کنجکاو: مکانیک شکست یک رشته تحصیلی به خودی خود با کاربردهای بسیار ملموس به صورت روزانه است.)
درست مانند رهاسازی کشش یک تیرکمان بچه گانه برای فرستادن پرتابه ، رهاسازی تماشایی تنشهای باقی مانده از مرکز قطره اشک باعث انفجار بسیار مشخص و چشمگیری می شود که باعث افت ستاره شاهزاده روپرت در طول قرن ها شد. یک شیء غیر معمول ، ظریف و نشکن ، ابدی و زودگذر که ما با تمام ظرافت های لازم در یکی از قفسه های کابینت کنجکاوی خود قرار می دهیم.
دو هفته دیگر شما را برای فصل جدیدی در کابینه کنجکاویها می بینیم. © nosorogua ، Adobe Stock
!
از ثبت نام شما سپاسگزاریم.
خوشحالم که شما را در بین خوانندگان ما می شمارم!
کابینه کنجکاوی ها: میکروگرافیا ، زیباترین کتاب علمی که تا کنون منتشر شده است
