دانشمندان فرمول بسیار ساده‌ای برای یکی از پدیده‌ها‌ی فیزیک کشف کرده‌اند که به‌نظر می‌رسید یکی از محدوده‌ها‌ی شناخت‌ناپذیر فیزیک محسوب می‌شد: مشخص‌کردن اینکه قطره‌ی آب پیش از فرو‌پاشیدن، چه میزانی از میدان الکتریکی را می‌تواند تحمل کند.
ده‌ها سال فیزیک‌دانان پدیده‌ها‌ی کوچک را بررسی کرده‌اند؛ اما با اینکه مفهوم کلی بعضی از این پدیده‌ها بسیار ساده به‌نظر می‌رسد و به‌راحتی می‌توان آنها را تصور کرد، روابط ریاضی پشت این مفاهیم و پدیده‌ها می‌تواند به هر شکلی باشد.
هم‌اکنون که فرمول مربوط به تحمل میدان الکتریکی به‌وسیله‌ی قطره‌ی آب کشف شده، دانشمندان عقیده دارند که این فرمول در خیلی از موارد دیگر نیز می‌تواند به‌کار برده شود؛ از پیش‌رانش فضایی تا طیف‌سنجی جرمی، چاپ با توان تفکیک درخورتوجه، تهویه‌ی هوا، تجزیه‌و‌تحلیل مولکول‌ها و موارد دیگر.
قطره‌ی آبی که از رأس دچار فروپاشی می‌شود (MIT). جاستین بروز، دانشجو‌ی مهندسی مکانیک و فیزیک MIT، توضیح داد:
قبل از به‌دست‌آمدن نتایج، فیزیک‌دانان و مهندسان شبیه‌سازی‌ها‌ی کامپیوتری فشرده و سنگینی کردند تا بتوانند میزان پایداری قطره‌ی الکتریکی‌شده را ارزیابی کنند. با معادله‌ی به‌دست‌آمده، هر‌کسی می‌تواند فقط با استفاده از مداد و کاغذ و محاسبات ساده، به‌سرعت رفتار قطره را پیش‌بینی کند.
پدیده‌ی بررسی‌شده، پدیده‌ای نیست که فردی غیر از فیزیک‌دانان برای آن زمان بگذارد و روی آن فکر کند. پدیده‌ای که بروز و تیمش در مقاله‌ی تازه‌ی خود آن را بررسی کردند، پدیده‌ای است که حتی اگر انسان‌ها به آن توجه نکنند، همیشه و در هر‌جا‌ی جهان اطراف اتفاق می‌افتد.
این پدیده زمانی اتفاق می‌افتد که قطرههای باران هنگام افتادن از آسمان تحت‌تأثیر میدان الکتریکی ابر‌ها‌ی طوفانی قرار می‌گیرند یا حتی وقتی این قطره‌ها تحت‌تأثیر هر میدان الکتریکی دیگر مانند میدان خطوط برق قرار می‌گیرند.
هنگام رخداد این پدیده، میدان الکتریکی قطره را به‌سمت بالا می‌کشد؛ چراکه بار الکتریکی روی سطح قطره تجمع پیدا می‌کند. در این هنگام، کشش سطحی که باعث ماندن مولکول‌ها‌ی آب در حالت کروی می‌شود، در مولکول‌ها‌ی H2O از بین می‌رود.
در سال‌های اخیر، پژوهشگران ریزسیال‌شناسی از این قابلیت برای دست‌کاری‌کردن و حرکت‌دادن قطره‌ها به دور میدان‌ها‌ی الکتریکی استفاده کرده‌اند؛ اما دانشمندان همچنان هیچ راه ساده‌ای برای محاسبه‌ی حدود پایداری این قطره‌ها نداشته‌اند. منظور از محدوده‌ی پایداری، آستانه یا مرزی است که در آن قطره‌ها تحت‌تأثیر فشار میدان الکتریکی از حالت کروی خارج می‌شوند و فرومی‌پاشند. این آستانه به‌صورت تئوری محاسبه می‌شود.
تغییر شکل قطره با تغییر میدان الکتریکی وارد بر آن
بروز گفت:
در برخی نقاط، اگر میدان الکتریکی به‌اندازه‌ی کافی قوی باشد، قطره فرصت آن را پیدا نمی‌کند تا نیرو‌ی الکتریکی را متعادل کند و در این هنگام، قطره حالت نا‌متعادل پیدا می‌کند و فرومیپاشد. هم‌اکنون به‌نظر می‌رسد این آستانه را پیدا کرده‌ایم.
بروز و همکارانش در آزما‌یش‌ها‌ی خود قطره‌ها‌یی را بررسی کردند که روی سطح الکتریکی‌شده‌ی فلزی فرود می‌آمدند و روی آن پخش می‌شدند. آنها با استفاده از دوربین‌های بسیار سریع از این صحنه‌ها فیلم گرفتند.
پژوهشگران با تمرکز بر لحظه‌ی دقیق قبل از فروپاشی قطره تحت‌تأثیر میدان الکتریکی و مشاهده‌ی شکل بحرانی آن در همان لحظه، دریافتند محدوده‌ی پایداری با قانون توان اداره می‌شود. با استفاده از این قانون می‌توان آستانه‌ی فروپاشی قطره روی سطح (ساکن یا متحرک) یا هنگام شناور‌بودن در هوا را اندازه‌گیری کرد.
طبق نظر دانشمندان، قانون توان در ابتدا حجم و شعاع قطره را لازم دارد؛ در‌حالی‌که راهکار‌ها‌ی تئوری قبلی ابتدا ارتفاع و شعاع قطره را برای محاسبه‌ی محدوده‌ی پایداری قطره لازم داشت.
بروز گفت:
تا صد سال پیش، رسم بر این بود که از ارتفاع قطره برای تخمین محدوده‌ی پایداری استفاده شود؛ اما زمانی‌که قطره تغییر شکل می‌دهد و فرومیپاشد، ارتفاع آن تغییر می‌کند. بنابر‌این، مسئله‌ی روی ارتفاع ازنظر ریاضی پیچیده می‌شود. با تمام این‌ها، حتی با تغییر شکل قطره تحت‌تأثیر میدان الکتریکی هم حجم قطره ثابت باقی می‌ماند.
با این معادله‌ی جدید، با دانستن چهار پارامتر از پنج پارامتر مهم شامل کشش سطحی قطره، شدت میدان الکتریکی، گذر‌دهی الکتریکی هوا و حجم و شعاع قطره، می‌توان در هر زمانی پارامتر پنجم را اندازه‌گیری کرد و محدوده‌ی پایداری قطره را نیز به‌دست‌آورد.
این موفقیتی است که زمان زیادی برای آن صرف شده و مردم می‌توانند با فهم تئوری مذکور از آن در زمینه‌ها‌ی مختلف علم استفاده کنند. همچنین، این کار ظرفیت استفاده در پروژه‌ها‌ی صنعتی مانند الکترو‌اسپین، فیلتراسیون الکترو‌استاتیک و حتی فرایند انحلال را دارد. بروز گفت:
از دید تئوری، نتایج بسیار ساده‌ای از پیچیدگی‌ها‌ی ریاضی این مسئله به‌دست آمده است.
یافته‌ها‌ی این پژوهش در مجله‌ی Physical Review Letters منتشر‌شد.
- 17
- 4
