تقليل الاحتكاك من خلال البخار

إذا تم صب الماء على لوحة معدنية ساخنة، درجة حرارتها فوق 100 درجة مئوية؛ فسينزلج الماء على السطح، بدلاً من أن يبدأ في التبخر. ووفقاً لتأثير لايدن فروست ـ الذي يعود تاريخه إلى 225 عامًا ـ فإن السائل ينتج طبقة من البخار العازل عند الاتصال بسطح صلب أكثر سخونة من نقطة غليان السائل، التي تُعرف بنقطة لايدن فروست. وقد قرر اثنان من الباحثين دراسة هذه الظاهرة؛ ونشرا نتائجهما الشهر الماضي في مجلة "فيزيكال ريفيو ليترز".

قرر إيفان فاكارليسكي، المهندس الكيميائي في جامعة الملك عبد الله للعلوم والتكنولوجيا بالمملكة العربية السعودية، وديريك تشان، أستاذ الرياضيات في جامعة ملبورن بأستراليا، إجراء التجربة بشكل معاكس، لِيَرَيَـا النتائج التي ستحدث، حيث قاما بإسقاط أجسام كروية معدنية ساخنة في سائل مفلور، نقطة غليانه عند 56 درجة مئوية.

يقول فاكارليسكي: "إن هذا يجعل من الأسهل البدء بتأثير لايدن فروست بطريقة مقلوبة.. حيث تكون هناك طبقة رقيقة من البخار تغطي المعدن". ويضيف أنه بمجرد تحرك طبقة البخار السائل على سطح لوحة ساخنة، فإن ذلك يسمح بحركة أسرع للأجسام الكروية المعدنية عبر السائل. ويتابع قائلاً: "اعتقدنا بأن هذا قد يكون النظام المثالي لتجسيد (نظام) تقليل الاحتكاك من خلال طبقة البخار".

وأظهرت أبحاث أن تقليل الاحتكاك الهيدروديناميكي يمكن أن يحدث لطبقات البخارعلى الأجسام المتحركة عبر السوائل. يقول فاكارليسكي إن دراستهما هي أول مقياس لحدود تقليل الاحتكاك، الذي يمكن إنتاجه بواسطة طبقات البخار. وقال: "لقد أوضحنا أن طبقة بخار لايدن فروست يمكنها تقليل الاحتكاك على جسم كروي بنسبة تصل إلى 85 في المئة".

الاستخدامات المحتملة

إن أي جسم يتحرك عبر سائل يتعرض لاحتكاك أو مقاومة. وقد انخفض معالج الاحتكاك ـ وهو قياس الاحتكاك الخاص بجسم كروي مغطى بالبخار ـ من 0.4 إلى 0.07، وهو تغيير بنسبة 571 في المئة.

يقول فاكارليسكي: "إن تلك النتائج يمكن أن تساعد المهندسين على تحسين تدفق السائل عبر الأنابيب، وتحسين كفاءة أجهزة الميكروفلويديك. ويمكن أيضاً تطبيق ذلك على نطاق أوسع، كما هو الحال في أجهزة الشحن أو الغواصات".

ومن شأن تقليل الاحتكاك توفير استهلاك الطاقة، وتقليل انبعاثات الكربون. يقول فاكارليسكي: "بالنسبة إلى السفن، أو المركبة عالية السرعة تحت الماء، فإن تحقيق تقليل الاحتكاك بنسبة 10٪ أو 20٪ سيكون نتيجة هامة".

إن هذا البحث أساسي، لكن الأمر سيستغرق بضع سنوات أخرى قبل أن يتم تطبيق هذه النتائج تجارياً. ويأمل فاكارليسكي في أن تصبح الأجهزة التي ينطبق عليها تأثير لايدن فروست جاهزة للاختبار خلال بضع سنوات. ويضيف فاكارليسكي قائلاً: "إن تركيزنا هوعلى تشكيل واستدامة طبقات الفقاعات في الماء، وهو ما سيقربنا أكثر من التطبيقات العملية. ونأمل أن يتم الانتهاء من هذه المرحلة المقبلة قبل نهاية هذا العام".

ويقول الأستاذ علاء إبراهيم، عالم الفيزياء الفلكية في الجامعة الأمريكية بالقاهرة، إن هذه الأبحاث مبتَكَرَة، وتمثل قيمة كبيرة لهذه الصناعة. ويتوقع إبراهيم أيضًا أن يتم تطبيق هذه التكنولوجيا في مجال الشحن. ويضيف قائلاً بأنه "سيتحتم عليك استخدام الطاقة لتسخين سطح الجسم المتحرك. وهذا ـ في حد ذاته ـ يفتح تحقيقاً بحثيًّا آخر مثيرًا للاهتمام؛ للحد من استهلاك الطاقة، وعزل البضائع التي يتم شحنها بأمان".

اشترك للحصول على النشرة الإلكترونية المحدّثة كل أسبوعين لكي تبقى على اطلاع بكافة المستجدات على الموقع.