قوانين المرور - قام مجموعة من العلماء من معهد وايزمان للعلوم مؤخراً بفحص نظام فوضوي مماثل، ووجدوا نظاماً خفياً مدهشاً يكمن وراءه، ويساعد في تنظيم حركة المرور على "الطرق" الصغيرة والمزدحمة.
تخيل طريقًا سريعًا يتكون من 20 حارة، دون أي علامات أو إشارات أو حدود للسرعة. وغني عن القول أن النتيجة ستكون فوضى عارمة: سيضطر السائقون، بالتناوب، إلى السير بشكل متعرج وزيادة السرعة وإبطاء السرعة - للتكيف مع التغيرات في تدفق السيارات. قامت مجموعة من العلماء من معهد وايزمان للعلوم مؤخرًا بفحص نظام فوضوي مماثل، ووجدوا نظامًا خفيًا مدهشًا موجود في قاعدته، والذي يساعد على تنظيم حركة المرور على "الطرق" الصغيرة والمزدحمة. قد تساعد النتائج التي توصلوا إليها، والتي نُشرت مؤخرًا في مجلة Nature Physics، في الكشف عن أنماط التنظيم هذه في العديد من أنواع الأنظمة الفوضوية، وتؤدي إلى رؤى جديدة حول خصائص التدفق، والتي ستفيد العلماء العاملين في مجال تطوير السوائل الدقيقة.
في الأنظمة المعقدة، تزداد أهمية التفاعلات طويلة المدى - العلاقات المتبادلة بين جميع الشركاء الأفراد، وبالتالي تميل إلى عدم القدرة على التنبؤ بها، ويصعب توصيفها وفهمها. قبل عدة سنوات، اجتمع البروفيسور روي بار زيف، من قسم المواد والسطوح في المعهد، مع طالب البحث (آنذاك) الدكتور تسفي باتوس (الآن في جامعة كورنيل، نيويورك)، وعالم الفيزياء النظرية البروفيسور تسفي Telusti (حاليًا في معهد الدراسات المتقدمة في برينستون)، نظام تجريبي حيث يمكن للمرء ملاحظة ما يحدث لجسيم موجود في مثل هذا النظام.
ولتبسيط النظام، جعله العلماء ثنائي الأبعاد: بدأوا بقناة ضيقة - ضيقة جدًا بحيث لا يمكن لقطرات الماء المجهرية أن تتحرك إلا في خط واحد، واحدة تلو الأخرى. كانت قطرات الماء محمولة في تيار من الزيت، ولكن بسبب الاحتكاك الذي تمارسه عليها جدران القناة، كانت تتحرك ببطء شديد مقارنة بتيار الزيت - الذي يقاوم الاحتكاك. إن استخدام هذا النظام البسيط ثنائي الأبعاد سمح لفريق العلماء بملاحظة الظواهر التي لا يمكن قياس تعقيدها في الأبحاث في أنظمة ثلاثية الأبعاد، أو حتى قياسها.
وفي الدراسة الحالية، تحركت قطرات الماء في قناة أوسع (يبلغ عرضها حوالي نصف ملليمتر وطولها عدة سنتيمترات)، لذلك لم تقتصر على خط واحد، بل خلقت أنماط حركة معقدة ثنائية الأبعاد. ولاحظ طالب البحث إيتمار شاني، من مجموعة البروفيسور بار-زيف، من خلال المجهر القطرات الصغيرة، التي تم دفعها إلى مجرى النفط وتحركت بشكل عشوائي. ومع ذلك، كما اكتشف العلماء، تحت التدفق الفوضوي، يمكن تمييز نمط تنظيمي - وهو نمط يكشف عن نوع جديد من النظام "الأعلى" الذي ينظم سلوك الجسيمات في نظام ديناميكي. في الواقع، تُظهر النتائج كيف أن كل جسيم من الجسيمات المشاركة في النظام، والذي يبدو مستقلاً عن الآخرين، يتأثر فعليًا بكل من الجسيمات الأخرى.
فيديو: حركة ثنائية الأبعاد لقطرات الماء في مجرى النفط
وينعكس التنظيم في النظام في سرعة حركة القطرات واتجاهها - وقد تم اكتشاف ذلك عندما استخدم العلماء برامج حاسوبية مطورة خصيصًا، قادرة على قياس سرعات العديد من القطرات في نفس الوقت بدقة عالية. عندما تم رسم خرائط القطرات ووضع علامات عليها وفقًا لسرعتها النسبية -أسرع من المتوسط أو أبطأ من المتوسط- تم اكتشاف، بشكل مدهش، أن هناك علاقة طويلة المدى بين سرعتيها.
السبب وراء السلوك الجماعي المنظم للقطرات يكمن في الاحتكاك: عندما يتدفق الزيت بمفرده، فإن الاحتكاك بجدران القناة فقط هو الذي يؤثر على سرعته؛ ومع ذلك، عندما يلتقي تيار الزيت بقطرات الماء، التي تكون أكثر حساسية للاحتكاك، تنتقل بعض حركته الأمامية إلى القطرات. كلما حدثت هذه الظاهرة، تظهر "قفزة" في ملف تدفق الزيت. أي اضطراب في التدفق يغير التدفق على طول القناة بأكملها، وبالتالي يؤثر على حركة كل من القطرات الأخرى - بدرجة أو بأخرى.
النظام ثنائي الأبعاد لتدفق قطرات الماء في مجرى النفط، الذي أنشأه العلماء
ومن أجل فهم هذه الظاهرة بشكل أفضل، قام إيتمار شاني، والبروفيسور بار زيف، والدكتور باتوس والبروفيسور تيليستي بفحص التفاعلات بين أزواج القطرات: لقد بحثوا عن العلاقة بين بعدها عن بعضهم البعض وسرعتهم النسبية. وفي الواقع، أظهر الرسم البياني الناتج ارتباطًا دقيقًا، إيجابيًا وسلبيًا. ومعنى "إيجابي" و"سلبي" في هذه الحالة هو درجة التشابه في السرعة التي تتحرك بها القطرات. تم العثور على ارتباط إيجابي - أي أزواج من القطرات المتجاورة التي أظهرت سرعة منسقة (أسرع أو أبطأ من المتوسط) - بين القطرات التي تمت محاذاتها عموديًا أو موازية لجوانب القناة. الارتباط السلبي - أي أزواج من القطرات، إحداها أسرع من المتوسط وشريكها أبطأ من المتوسط - عادة ما يكون بعيدًا عن محور الحركة، على طول الأقطار.
في استمرار البحث، استخدم الفريق نموذج تدفق بناءً على أبحاثهم السابقة، والتي قاموا بتطويرها بغرض فهم التدفق أحادي البعد: حيث أظهروا أن قطرات الماء تخلق أنماط تدفق في الزيت مشابهة للخطوط غير المرئية القوة التي تتشكل حول المغناطيس: ينقسم تدفق الزيت حول كل قطرة ويلتقي في نقطتين متقابلتين، ثانوي عبراني القطرة. وكما يحدث على جانبي المغناطيس، فإن "الأقطاب" الموجودة في التيار تمارس قوى دفع أو سحب على القطرات الأخرى. نظر الفريق إلى الأزواج مرة أخرى، من الناحية النظرية هذه المرة، وقام بحساب التأثيرات المتبادلة بين أزواج القطرات، باستخدام نموذج ثنائي الجسم يعتمد على قطرتين فقط.
النظام ثنائي الأبعاد لتدفق قطرات الماء في مجرى النفط، الذي أنشأه العلماء
يتطابق نموذج الجسمين مع بعض ارتباطات السرعة المرصودة، ولكن ليس جميعها، ولا سيما الارتباطات السلبية. اكتشف العلماء أنه وفقًا للنموذج، فإن العلاقات المتبادلة تُلغى بسرعة كبيرة جدًا مع زيادة المسافة. وأدركوا أن سبب الارتباط في السرعات بين القطرات ليس جسمين، أي أنه لا ينشأ من العلاقات المتبادلة بين أزواج القطرات، بل من علاقاتها المتبادلة مع جميع القطرات الأخرى. وفي ضوء ذلك، أضاف العلماء عاملاً ثالثًا إلى نموذج الجسمين، وهو العامل الذي يمثل جميع القطرات الأخرى. الآن، بما في ذلك ثلاثة عوامل فقط، أصبح النموذج النظري قادرًا على وصف الترتيب "الأعلى" الذي يكمن وراء التدفق الفوضوي، استنادًا فقط إلى الرياضيات البسيطة ومواقع القطرات.
قد تكون هذه النتائج ذات صلة بأي نظام فوضوي توجد فيه تفاعلات طويلة المدى، مثل، على سبيل المثال، مجموعات من النجوم تتحرك تحت تأثير قوة الجاذبية طويلة المدى، أو التيارات الدوامية. قد تكون الملاحظات والنموذج مفيدة بشكل خاص للعلماء الذين يصممون الأنظمة الدقيقة بناءً على تدفق الجسيمات داخل السوائل المتدفقة.
يقول البروفيسور بار زيف: "هذا البحث فريد من نوعه في مجال الأنظمة متعددة العوامل التي تعمل فيها قوى واسعة النطاق، حيث أنه يقدم حلاً أنيقًا وبسيطًا رياضيًا". ويخطط العلماء في المستقبل للتحقيق في كيفية تفاعل النظام مع التغييرات التي تحدث فيه، وكذلك التحقق مما إذا كان من الممكن تطبيق المبادئ التوجيهية التي تم اكتشافها لغرض رسم خرائط للأنظمة الفوضوية والمضطربة.
