لماذا لا تتبلل الطيور؟

ما العلاقة بين الطيور التي لا تتبلل وورقة اللوتس التي تنظف نفسها؟ اتضح أن بنية الريشة وبنية الورقة متشابهتان! على أنواع الأسطح وتأثيرها على امتصاص الماء وتركيب القطرات
بقلم: البروفيسور إدوارد بورماشينكو وطالب الدكتوراه جلعاد هانييل، الشباب جاليليو

قررنا تهدئة أجواء الصيف الحارة قليلاً من خلال التفكير في الشتاء والمطر وقطرات الماء: هل سبق لك أن جلست بجانب النافذة عندما كانت السماء تمطر في الخارج ورأيت الطيور على الشجرة؟ أو هل وقفت بجانب بحيرة من الماء ورأيت طيورًا مجنونة؟ ألم تتساءل كيف لا تتبلل الطيور؟ هذا السؤال شغل العلماء، لسنوات طويلة اعتقدوا أن الإجابة تكمن في طبقة من الزيت تفرز من غدة خاصة في جسم الطائر، تلطخ على ريشه فلا يبتل. ولكن ربما لا تكون هذه هي الإجابة الصحيحة. يكمن الحل أيضًا في البنية الخاصة للريش.

العلاقة بين القطرة والسطح

لفهم الموضوع سنبدأ بمقدمة قصيرة. الترطيب هو مفهوم يحدد الشكل الذي يستقر فيه السائل على سطح صلب: هل يبلله بالكامل - أي هل ينتشر على السطح، أم أنه "ترطيب جزئي"، عندما تأخذ القطرة شكل قطرة؟ نوع من نصف الكرة الأرضية؟

هناك نوعان من الأسطح: الأسطح التي تأخذ قطرة السائل عليها شكلًا دائريًا، وتسمى الأسطح الكارهة للماء - طاردة للماء؛ تسمى الأسطح التي تتخذ فيها القطرة شكلًا مسطحًا الأسطح المحبة للماء - محبي الماء. في الأسطح الكارهة للماء، هناك حالة خاصة حيث تظل القطرة السائلة كروية بالكامل تقريبًا؛ تسمى هذه الأسطح الأسطح فائقة الكارهة للماء - وهي طاردة للماء تمامًا.

الحجم الذي يميز النسبة بين القطرة والسطح يسمى الطاقة السطحية للمادة، وفي السوائل يسمى أيضًا التوتر السطحي. كلما كان حجمه أكبر، كلما زاد انتشار السائل على السطح الصلب. يتميز الانتشار بزاوية الاتصال بين السائل والسطح. القانون الذي يصف تأثير الطاقة السطحية على حجم الزاوية يسمى قانون يونغ. في الأسطح المحبة للماء تكون زاوية التلامس أقل من تسعين درجة، وفي الأسطح الكارهة للماء تكون زاوية التلامس أكبر من تسعين درجة.

اتكئ على الهواء

وكيف تحصل على الخاصية الفائقة الكارهة للماء؟ نعتقد أنه كلما كانت المادة الصلبة أكثر سلاسة وانتظامًا، كان من الأسهل على السائل أن ينزلق منها. ولكن هذا ليس هو الحال. على سبيل المثال، عندما تنظر إلى الريشة تحت المجهر، يمكنك أن ترى أنها مبنية في هيكل منظم للغاية، يشبه شجرة ذات جذع رئيسي ينقسم إلى فروع تعود وتنقسم إلى فروع أرق، بحيث يتم إنشاء نوع من الشبكة الكثيفة.

عندما يتم وضع قطرة ماء على هذه الشبكة تكون نقاط الاتصال بينها وبين الريشة قليلة جداً، وفي الواقع تستقر القطرة بشكل رئيسي على الهواء داخل الريشة، ونتيجة لذلك فإن زاوية تلامس قطرة الماء تكون كبيرة جداً كبيرة وتبقى القطرة على شكلها الكروي مما يجعلها تنزلق عن الريشة ولا تمتصها إطلاقا - وحتى لا يبتل الطير!

نفس الظاهرة موجودة أيضا في نبات اللوتس. يعتبر هذا النبات مميزًا جدًا بل ومقدسًا في الديانة البوذية، نظرًا لأنه ينمو على الماء ويظل دائمًا نظيفًا وجميلًا. ويرجع ذلك إلى أن لها بنية مشابهة لتلك التي تظهر في الريش - يتكون سطح زهرة اللوتس من نتوءات بأحجام مختلفة، بحيث تكون القطرة الموضوعة على الورقة هنا بشكل أساسي في الهواء وبالتالي تحافظ على شكلها الكروي. بهذه الطريقة يكون من السهل جدًا عليها أن تتدحرج وتنزلق عن الورقة. هناك نقطة أخرى مثيرة للاهتمام في نبات اللوتس وهي أنه بسبب هذه الميزة، فإن الماء الذي ينزلق من الورقة يزيل الأوساخ المتراكمة عليها - بحيث تبدو الورقة وكأنها تنظف نفسها!

الإنسان يتبع الطبيعة

اليوم، كجزء من الاتجاه العلمي لمحاولة تقليد الخصائص الناجحة من الطبيعة (مجال البحث والتطوير يسمى التقليد الحيوي)، يقوم العلماء بتطوير أسطح ذات خصائص طاردة للماء بناءً على الخصائص الفريدة لريشة الطائر ونبات اللوتس. .

أحد التحديات المثيرة للاهتمام في هذا المجال هو إنشاء أسطح تطرد الزيت - ويرجع ذلك إلى انخفاض التوتر السطحي للزيت، مما يجعله يبلل تمامًا أي سطح يتلامس معه، حتى السطح شديد الكارهة للماء.

____

* المؤلفون من قسم الفيزياء – كلية العلوم الطبيعية، جامعة ارئيل

ظهر المقال في عدد نوفمبر من مجلة الشباب جاليليو - شهرية للأطفال الفضوليين

هل تريد قراءة المزيد؟ للحصول على مجلة جاليليو شابة كهدية

قم بزيارة صفحتنا على الفيسبوك