حتى آخر قطرة.. تجارب فيزيائية واكتشافات في المطبخ بدل المختبر

حتى آخر قطرة حليبيجب أن تضاف إلى القهوة وأيضا آخر قطرة من زيت الزيتون الغالي الثمن يجب أن تضاف إلى السلطة، حيث نقف في المطبخ بزجاجات أو علب مائلة وننتظر بصبر. جميعنا نعرف مثل هذه المواقف، ولكن كم من الوقت يجب أن ننتظر بالضبط؟ هذا ما تساءل بشأنه اثنان من علماء الفيزياء في جامعة براون في بروفيدنس في الولايات المتحدة.

تذكر توماس دوتا، طالب الدكتوراه في الفيزياء كيف كانت جدته تكافح من أجل الحصول على آخر القطرات. وكان أستاذ الفيزياء جاي تانغ يقف في مطبخ منزله متسائلا مرارا عن المدة التي يستغرقها تصريف الماء بعد غسل المقلاة.

فيزياء المطبخ بدلا من فيزياء المختبر

في الواقع يبحث تانغ في الفيزياء الحيوية للبكتيريا وبشكل أكثر تحديدا في كيفية حركة الكائنات الحية وحيدة الخلية وكيفية انتشار أسراب البكتيريا على الأسطح الرطبة. يتطلب هذا البحث فهما دقيقا لكيفية عمل ميكانيك التدفق. ولتوضيح ذلك لطالب الدكتوراه دوتا قرر تانغ دراسة ظواهر الفيزياء اليومية. مثل "مشكلة غسل" مقلاة الووك الخاصة به. فالأستاذ لا يجففها لأن ذلك قد يزيل طبقة الزيت التي تمنع الطعام من الاحتراق. ولكن إذا بقيت المقلاة رطبة فقد يتشكل الصدأ عند تبخر الماء المتبقي.

يقول تانغ: "عندما أسكب ماء الغسل يبقى دائما بعض الماء في المقلاة. لذلك أنتظر عادة بضع دقائق حتى تتجمع هذه الطبقة الرقيقة من الماء في قاع المقلاة ثم أسكبها مرة أخرى".

ولكن هل تكفي هذه الدقائق القليلة لتجمع كل الماء المتبقي تقريبا حتى يمكن سكبه؟ لذلك شرع الباحثان في حساب وقت الانتظار اللازم لتصريف السوائل بدقة. وقاما بفحص الحليب وزيت الزيتون وشراب القيقب بالإضافة إلى ماء غسل المقلاة المذكور.

ميكانيك التدفق وشراب القيقب

في البداية قام تانغ ودوتا بحساب الوقت اللازم باستخدام ما يُعرف بمعادلات نافييه ستوكس. تصف هذه المعادلات حركة السوائل والغازات مثل الماء والهواء والزيت.

بعد أن توقع الفيزيائيون نظريا المدة التي ستستغرقها السوائل لتتدفق عبر سطح مائل، قاموا باختبار ذلك في تجارب. وفيها تركوا السوائل تتدفق عبر لوح مائل بزاوية 45 درجة. ومن خلال وزن الكمية المتدفقة حددوا متى تم سكب 90 بالمئة من السائل.

أكدت التجارب بشكل أساسي الحسابات النظرية. فقد تدفق الماء في غضون ثوانٍ قليلة. أما بالنسبة للسوائل ذات اللزوجة المنخفضة مثل الحليب فقد استغرق الأمر حوالي 30 ثانية حتى يتدفق 90 بالمئة من طبقة السائل الرقيقة. في المقابل استغرق زيت الزيتون الأكثر لزوجة أكثر من تسع دقائق، بينما استغرق شراب القيقب البارد عدة ساعات.

وماذا عن "مشكلة المقلاة"؟ باستخدام معادلات ميكانيك التدفق طور دوتا محاكاة حاسوبية لتحديد الوقت الأمثل لانتظار تجمع الماء المتبقي في المقلاة. وهكذا لخص النتيجة "لقد فوجئت، وبصراحة شعرت ببعض خيبة الأمل"، وأضاف "عادة ما أنتظر دقيقة أو دقيقتين فقط، ولكن اتضح أنني يجب أن أكون أكثر صبرا". فقد أظهرت حسابات دوتا أن تجميع 90 بالمئة من الماء المتبقي في قاع المقلاة يستغرق حوالي 15 دقيقة.

جائزة ماريو ماركوس للبحوث الترفيهية

لمن يهز رأسه الآن مشتغربا أمام كل هذه "الفيزياء المنزلية" نقول: لقد تم إنشاء جائزة خاصة لمثل هذه الأبحاث الترفيهية: جائزة ماريو ماركوس للعلوم الترفيهية. وهي تكرم الأعمال العلمية في مجال العلوم الطبيعية التي تتميز بطابعها الترفيهي. كلمة Ludus تأتي من اللاتينية وتعني: اللعبة.

تُمنح جائزة ماريو ماركوس التي تبلغ قيمتها 10 لآلاف يورو منذ عام 2022 من قبل جمعية الكيميائيين الألمان. وتعد هذه الجمعية التي تضم حوالي 28 ألف عضو، واحدة من أكبر جمعيات العلوم الكيميائية في العالم. صاحب مبادرة الجائزة هو الفيزيائي الألماني التشيلي ماريو ماركوس الذي أجرى أبحاثا في معهد ماكس بلانك للفيزيولوجيا الجزيئية وصاغ مصطلح العلوم الترفيهية.

الفكرة وراء ذلك: في حين أن مشاريع البحث تُجرى اليوم في المقام الأول على أمل أن يكون لها تطبيق ملموس، فإن نظرة إلى الماضي تظهر أن المعرفة الجديدة كانت تُكتسب دائما بطريقة مرحة وبدافع الفضول المحض.

عندما تساهم الصدفة في البحث

وبالمناسبة كان ذلك يحدث دائما عن طريق الصدفة البحتة أو من خلال تجارب فاشلة على ما يبدو. وقد اكتشف ألكسندر فليمنغ البنسلين فقط لأن جراثيم العفن من جنس Penicillium وصلت عن طريق الخطأ إلى مزارع البكتيرياالتي كان يريد استخدامها في التجارب، ورأى فليمنغ أن العديد من البكتريا قد ماتت.

تساقطت قطرة من مادة مخلوطة بالكبريت من المطاط الطبيعي على موقد ساخن عن طريق الخطأ فاكتشف تشارلز نيلسون غوديير أن المادة أصبحت أكثر مرونة وقوة وثباتا: وهكذا تم اكتشاف عملية فلكنة المطاط.

ونحن مدينون بفضل صنع العجين اللين كألعاب لسيدة تدعى كاي تسوفال. فقد أدركت معلمة الروضة أن منظف الجدران القابل للتشكيل مناسب أيضا لتسلية الأطفال.

أعده للعربية: م.أ.م

تحرير: عارف جابو