الدراسة: يحدث تأثير لايدنفروست في مراحل الماء الثلاثة: الصلبة والسائلة والبخارية

انثر بضع قطرات من الماء على مقلاة ساخنة جدًا ، وسوف تحلق في الهواء ، وتنزلق حول المقلاة مع التخلي عن البرية. اكتشف الفيزيائيون في Virginia Tech أنه يمكن تحقيق ذلك أيضًا عن طريق وضع قرص رفيع ومسطح من الجليد على سطح من الألومنيوم مُسخَّن ، وفقًا لـ ورقة جديدة نشرت في مجلة Physical Review Fluids. المشكلة: هناك درجة حرارة حرجة أعلى بكثير يجب تحقيقها قبل أن يرتفع قرص الجليد.

كما نحن ذكرت سابقا، في 1756 ، عالم ألماني اسمه يوهان جوتلوب ليدنفروست ذكرت ملاحظته للظاهرة غير العادية. وأشار إلى أنه عادة ما يتناثر الماء على مقلاة ساخنة للغاية ويتبخر بسرعة كبيرة. ولكن إذا كانت درجة حرارة المقلاة أعلى بكثير من نقطة غليان الماء ، فإن “القطرات اللامعة التي تشبه الزئبق الزئبقي” سوف تتشكل وستتطاير عبر السطح. يطلق عليه “تأثير لايدنفروست “ تكريما له.

في الـ 250 عامًا التالية ، توصل الفيزيائيون إلى تفسير قابل للتطبيق لسبب حدوث ذلك. إذا كان السطح لا يقل عن 400 درجة فهرنهايت (أعلى بكثير من نقطة غليان الماء) ، تتشكل تحتها وسائد من بخار الماء أو البخار ، مما يبقيها مرفوعة. يعمل تأثير Leidenfrost أيضًا مع السوائل الأخرى ، بما في ذلك الزيوت والكحول ، لكن درجة الحرارة التي يظهر بها ستكون مختلفة.

الظاهرة لا يزال يفتن علماء الفيزياء. على سبيل المثال ، في عام 2018 ، اكتشف الفيزيائيون الفرنسيون أن القطرات لا تسير فقط على وسادة من البخار ؛ طالما أنها ليست كبيرة جدًا ، فإنها تدفع نفسها أيضًا. هذا بسبب عدم توازن تدفق السوائل داخل قطرات لايدنفروست ، يتصرف مثل محرك داخلي صغير. أظهرت القطرات الكبيرة تدفقًا متوازنًا ، ولكن مع تبخر القطرات ، أصبحت أصغر (قطرها حوالي نصف ملليمتر) وأكثر كروية ، حدث خلل في القوى. تسبب هذا في دوران القطرات مثل عجلة ، بمساعدة نوع من تأثير “السقاطة” من الميل إلى الأسفل في نفس اتجاه تدفق السائل في القطرة. أطلق الفيزيائيون الفرنسيون على اكتشافهم اسم “عجلة لايدنفروست”.

في عام 2019 ، فريق دولي من العلماء حددت أخيرا المصدر من صوت التكسير المصاحب ذكرت Leidenfrost. العلماء وجدت ذلك ذلك يعتمد على حجم القطرة. سوف تنزلق القطرات الأصغر عن السطح وتتبخر ، بينما تنفجر القطرات الأكبر مع هذا الكسر الواضح. الجاني هو ملوثات الجسيمات الموجودة في أي سائل تقريبًا. ستبدأ القطرات الأكبر بتركيز أعلى من الملوثات ، ويزداد هذا التركيز مع تقلص القطرات. ينتهي بهم الأمر بتركيز عالٍ بحيث تشكل الجسيمات ببطء نوعًا من القشرة حول القطرة. تتداخل هذه القذيفة مع وسادة البخار التي تمسك القطرة عالياً ، وتنفجر عندما تصطدم بالسطح.

وفي العام الماضي ، حدد علماء معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا سبب دفع القطرات عبر سطح زيتي ساخن أسرع 100 مرة من المعدن المكشوف. في ظل الظروف المناسبة ، تشكلت طبقة رقيقة خارج كل قطرة ، مثل عباءة. عندما أصبحت القطرة أكثر سخونة ، بدأت فقاعات صغيرة من بخار الماء تتشكل بين القطرة والزيت ، ثم ابتعدت. تشكلت الفقاعات اللاحقة بشكل نموذجي بالقرب من نفس البقع ، مكونة مسار بخار واحد يعمل على دفع القطرة في الاتجاه المفضل.

ولكن هل يمكنك تحقيق تأثير Leidenfrost بالجليد؟ هذا ما شرع فريق Virginia Tech في اكتشافه. “هناك الكثير من الأوراق حول رفع السائل ، أردنا طرح سؤال حول رفع الجليد ،” قال المؤلف المشارك جوناثان بوريكو. “لقد بدأ كمشروع فضول. كان الدافع وراء بحثنا هو السؤال عما إذا كان من الممكن الحصول على تأثير لايدنفروست ثلاثي الأطوار مع المادة الصلبة والسائلة والبخارية أم لا. “