פיזיקה קלאסית מאתגרת: התגלו מאפיינים מפתיעים של מערבולות אלסטיות

חשיפת מערבולות אלסטיות מראה יותר קווי דמיון לערבולות ניוטוניות קלאסיות ממה שציפו קודם לכן.

דם, נוזל לימפה ונוזלים ביולוגיים אחרים מציגים לעתים קרובות מאפיינים בלתי צפויים ולעתים מביכים. רבים מהחומרים הביולוגיים הללו הם נוזלים שאינם ניוטונים, המוגדרים על ידי התגובה הלא ליניארית שלהם ללחץ ולמתח. המשמעות היא שנוזלים שאינם ניוטונים לא תמיד פועלים בדרכים האופייניות לנוזלים. לדוגמה, הנוזלים הייחודיים הללו עשויים לשנות צורה בלחץ עדין אך להתנהג כמעט כמו מוצקים בכוח עז יותר.

ופתרונות ביולוגיים אינם יוצאי דופן כשמדובר במאפיינים ייחודיים – אחד מהם הוא מערבולות אלסטית. מונח המתאר את תנועת הנוזל הכאוטי הנובעת מהוספת פולימרים בריכוזים קטנים לנוזלים מימיים. סוג זה של מערבולות קיים רק בנוזלים שאינם ניוטונים.

המקבילה שלו היא מערבולות קלאסית, המתרחשת בנוזלים ניוטוניים, למשל בנהר כאשר המים במהירות גבוהה זורמים על פני עמוד גשר. בעוד שקיימות תיאוריות מתמטיות כדי לתאר ולחזות מערבולות קלאסיות, ערבולות אלסטית עדיין ממתינה לכלים כאלה למרות חשיבותם עבור דגימות ביולוגיות ויישומים תעשייתיים. "תופעה זו חשובה במיקרו-נוזליות, למשל כאשר מערבבים כמויות קטנות של תמיסות פולימריות שעלולות להיות קשות. "הם לא מתערבבים היטב בגלל הזרימה החלקה מאוד", מסביר פרופ' מרקו אדוארדו רוסטי, ראש היחידה לנוזלים וזרימות מורכבות.

תובנות חדשות לגבי טורבולנס אלסטי

עד כה מדענים חשבו על מערבולות אלסטיות כשונות לחלוטין מערבולות קלאסיות, אך הפרסום האחרון של המעבדה בכתב העת תקשורת טבע עשוי לשנות תצוגה זו. חוקרים מ-OIST עבדו בשיתוף פעולה עם מדענים מ-TIFR בהודו ו- NORDITA בשבדיה כדי לחשוף שלמערבולת אלסטית יש יותר מהמשותף עם מערבולות ניוטוניות קלאסיות מהצפוי.

"התוצאות שלנו מראות שלמערבולת אלסטית יש דעיכה אוניברסלית של חוק כוח של אנרגיה והתנהגות לא ידועה עד כה לסירוגין. הממצאים הללו מאפשרים לנו להסתכל על בעיית המערבולת האלסטית מזווית חדשה", מסביר פרופ' רוסטי. כאשר מתארים זרימה, מדענים משתמשים לעתים קרובות בשדה מהירות, "אנו יכולים להסתכל על התפלגות תנודות המהירות כדי ליצור תחזיות סטטיסטיות לגבי זרימה", אומר ד"ר Rahul K. Singh, המחבר הראשון של הפרסום.

כאשר חוקרים מערבולות ניוטוניות קלאסיות, החוקרים מודדים מהירות על פני כל הזרימה ומשתמשים בהפרש בין שתי נקודות כדי ליצור שדה הבדל מהירות. "כאן אנו מודדים מהירות בשלוש נקודות ומחשבים את ההבדלים השניים. ראשית, הפרש מחושב על ידי הפחתת מהירויות הנוזל הנמדדות בשתי נקודות שונות. לאחר מכן אנו מחסירים שני הבדלים ראשונים כאלה שוב, מה שנותן לנו את ההבדל השני", מסביר ד"ר סינג.

מחקר מסוג זה בא עם אתגר נוסף – הפעלת הסימולציות המורכבות הללו דורשת כוח של מחשבי-על מתקדמים, "ההדמיות שלנו פועלות לפעמים במשך ארבעה חודשים ומוציאות כמות עצומה של נתונים", אומר פרופ' רוסטי. רמת פירוט נוספת זו הובילה לממצא מפתיע – ששדה המהירות במערבולת אלסטית הוא לסירוגין. כדי להמחיש כיצד נראית הפסקות בזרימה, ד"ר סינג משתמש באלקטרוקרדיוגרמה (ECG) כדוגמה.

"במדידת אק"ג, לאות יש תנודות קטנות המופסקות על ידי פסגות חדות מאוד. ההתפרצות הגדולה הפתאומית הזו נקראת סרוגין", אומר ד"ר סינג. בנוזלים קלאסיים, תנודות כאלה בין ערכים קטנים לגדולים מאוד כבר תוארו, אבל רק עבור מערבולות המתרחשות במהירויות זרימה גבוהות. החוקרים הופתעו לגלות כעת את אותו דפוס במערבולת אלסטית המתרחשת במהירויות זרימה קטנות מאוד, "במהירויות נמוכות אלו לא ציפינו למצוא תנודות כה חזקות באות המהירות", מדגיש ד"ר סינג.

הממצאים שלהם הם לא רק צעד גדול לקראת הבנה טובה יותר של הפיזיקה מאחורי מערבולות במהירות נמוכה, אלא גם מניחים את היסודות לפיתוח תיאוריה מתמטית שלמה המתארת ​​מערבולות אלסטית. "עם תיאוריה מושלמת, נוכל לעשות תחזיות לגבי הזרימה ומכשירי עיצוב שיכולים לשנות את ערבוב הנוזלים. זה עשוי להיות שימושי בעבודה עם פתרונות ביולוגיים", אומר פרופ' רוסטי.