سبد خرید شما خالی است.
فیزیک حرکت ذرات ریز
اخیرا یکی از اعضای کانال تلگرام من به نام جسی لمبث، توجه‌ام را به مقاله‌‌ای بسیار جالب از علم فیزیک که توسط نایت، جیِگر و نایجل نوشته شده بود، جلب کرد که فکر میکنم این مقاله ممکن است با درک ما از حرکت ذرات ریز در دم‌آوری قهوه ارتباط داشته باشد. دلایلی وجود دارد که ممکن است کاربرد این مقاله را برای قهوه پیچیده کند که در آخر مطلب به این دلایل می‌پردازم.
ابتدا اجازه دهید خلاصه‌ای از دیدگاهم را نسبت به حرکت ذرات ریز، قبل از مطالعه‌ی این مقاله را بیان کنم. ما اغلب کوچکترین ذرات قهوه را «ذرات ریز» (Fines) و بزرگ‌ترین آن‌ها را «ذرات درشت» (Boulders) می‌نامیم. زمانی که در این مبحث از واژه‌ی حرکت استفاده می‌کنیم، معمولا به ذرات ریزی اشاره داریم که حین دم‌آوری تمایل دارند به سمت انتهای بستر قهوه حرکت کنند. به چنین پدیده‌ای گاها اثر آجیل برزیلی هم گفته میشود، زیرا تکه‌های کوچکتر تمایل دارند تا در پایین ظرفی که غذای خشک در آن نگه‌داری میشود، انباشته شوند.
اثر آجیل برزیلی در یک شیشه‌ی غذای گربه که نشان‌دهنده‌ی تمایل تکه‌های کوچکتر به انباشته شدن در انتهای شیشه می‌باشد.
پدیده‌ی حرکت ذرات ریز به سمت انتهای بستر قهوه عمدتا مربوط به روش‌های چکانه‌ای است. به عبارت دیگر آن قسمت‌هایی که ما آب را بر روی قهوه می‌ریزیم، از خودِ ذرات به عنوان بخشی از ساختار صافی استفاده میکند. این موضوع نگرانی‌هایی را بوجود می‌آورد، چرا که انباشتگی ذرات ریز در مجاورت صافی که بستر قهوه را ثابت نگاه می‌دارد، ممکن است به حدی منافذ آن را مسدود کند که منجر به بسته‌شدنِ انتهای فیلتر شود. زمانی که انتهای فیلتر مسدود میشود، جریان آب را بدون کنترل، کند کرده و به توزیع غیریک‌دست جریان منجر میشود، و نهایتا باعث عصاره‌گیری غیریک‌دست از بستر قهوه میشود.
تصور قبلی من از چگونگی حرکت ذرات ریز اینگونه بود که در صورت وجود لرزش‌هایی که به اندازه کافی قوی هستند تا ذرات درشت قهوه را تکان دهند، لحظه به لحظه شکاف‌هایی بزرگتر بین این ذرات ظاهر خواهند شد و به ذرات ریز اجازه میدهند تا به سمت انتهای صافی حرکت کنند.
در حالی که همچنان ممکن است که این اتفاق رخ دهد، نکته‌ی کلیدی مقاله نایت این است که رخ‌دادن این اثر برای حرکت ذرات ریز الزامی نیست! حتی اگر لرزش‌ها برای تکان دادن ذرات درشت و یا پرِش آن‌ها به اطراف بسیار ضعیف باشند، یک مکانیسم کاملا متفاوت همچنان می‌تواند موجب شود تا ذرات ریز، منافذ صافی قهوه‌تان را مسدود کنند که جزئیات آن به طرز باورنکردنی‌ای جالب است.
برای درک این موضوع، گروهی از دانشمندان به سرپرستی نایت، گویهای شیشه‌ایِ کاملا یکسانی را در یک محفظه‌ی استوانه‌ای قرار دادند، و یک گوی بزرگتر با چگالی برابر با دیگر گوی‌ها اضافه کردند. آن‌ها گوی بزرگتر و بعضی از گویهای کوچکتر را با یک رنگ روشن رنگ کردند تا به آسانی بتوانند جابه‌جایی آن‌ها را بررسی کنند. آن‌ها دستگاهی را به این محفظه استوانه‌ای وصل کردند که می‌توانست یک ضربه کوتاه را به روشی قابل کنترل تکرار کند. از این رو، آن‌ها میتوانستند به طور مصنوعی به تعداد دلخواه به محفظه ضربه بزنند، به نحوی که همیشه مدت و نیروی به کار برده شده برای ضربه برابر باشد. تمام آنچه که باید انجام می‌دادند این بود که ضربه زدن را آغاز کرده و چگونه جابه‌جا شدن توپ‌های رنگی را مشاهده کنند. در کمال تعجب دانشمندان، برای رخ دادن این پدیده در واقع لازم نبود هیچ توپی بلند شود. در عوض، به توپ‌های نزدیک لبه‌های محفظه توسط نیروهای اصطکاکِ دیواره‌هایی که مقابل توپها میلرزیدند، نیرویی به سمت پایین وارد میشد که یک جریان دورانی را در کل محفظه آغاز می‌کرد و شباهت بسیار زیادی به انتقال حرارتِ همرفتی در یک مایع گرم داشت.
تصویر بالا سلسله زمانی از حرکت در یک محفظه استوانه‌ای را نشان می‌دهد که بسیار به آن ضربه زده شده است. بعضی از توپها رنگ شده‌اند تا مسیر حرکت آن‌ها قابل رد‌یابی باشد. توپ‌های مقابل دیواره به سمت پایین میروند، و ذرات مرکزی را به سمت بالا هدایت میکنند و یک جریان دورانی همرفت مانند را آغاز میکنند. منبع: نایت و همکاران، ۱۹۹۳، اصلاح شده.
همان‌طور که در تصویر بالا می‌بینید، گویهای شیشه‌ای که از جهت بالا میآیند به گویهای لایه‌ی پایینی نیرویی به سمت مرکز محفظه وارد میکنند، و آن‌ها (گوی‌هایی که از بالا میآیند) به نوبه خود گویهای مرکزی پایین را به سمت بالا هل میدهند. با به سطح رسیدن گوی‌ها از قسمت پایینی به سمت بالا، آن‌ها به سمت بیرون و دیواره‌های محفظه حرکت میکنند، و این اتفاق چرخه را کامل میکند تا اینکه دوباره توسط ارتعاشی دیگر، نیرویی به سمت پایین به آن‌ها وارد شود.
مقالات مرتبط:
۱-چرا مایع بینابینی موجود در فیلتر کاغذی قهوه را می‌چرخانیم
۳-یکنواختی عصاره‌گیری و کانال‌سازی
به طور طبیعی، همرفت را میتوان در انواع مکان‌هایی مشاهده کرد که مایع به سرعت گرم میشود؛ در سطح خورشید، در یک قابلمه‌ی آب در حال جوش و یا حتی در فنجان کوچکی از چای در محیطی خنک و با نوری مناسب. البته فکر نمیکنم حرکت گوی‌ها را بتوان همرفت مناسبی نامید، اما مطمئنا با روشی کاملا مشابه آن حرکت میکنند.
تصویر بالا سلول‌های همرفت سطح خورشید را نشان می‌دهد. حباب‌های بزرگ (روشنتر) گازِ داغ به سمت بالا جریان دارد و لایه‌های نازکتر (کم نورتر) گازِ خنک بین حباب‌ها و به سمت پایین در جریان می‌باشد. طبیعتِ چرخشِ این جریان مشابه با چیزی است که در محفظه‌ی گویهای شیشه‌ای مشاهده کردیم.
منبع: دانشگاه ویسکانسین، مدیسن.
در تصویر بالا می‌توانید همرفت صورت گرفته در سطح خورشید را مشاهده کنید؛ سلول‌های سیالِ داغ که در حرکت به سمت بالا هستند و روزنه‌هایی از سیالِ کمی خنک‌تر که به سمت پایین در حرکت هستند، مشابه محفظه‌ی گویهای شیشه‌ای به نظر می‌رسند. در حقیقت، دومی شبیه یک سلول همرفتی بزرگ است که از مرکز محفظه به بالا می‌رود.
اگر همهی گوی‌ها اندازه‌ی یکسانی داشته باشند، نتیجه‌‌ی آن حرکتی آهسته و دورانی، در اطراف محفظه است. اما زمانی که گوی شیشه‌ایِ بزرگتر به دیوارِ محفظه در لایه‌ی بالایی نزدیک شود، چیزی از کنترل خارج میشود؛ گوی بزرگتر آنقدر بزرگ است که در جریان رو به پایین نمی‌گنجد و در لایه‌ی بالایی به دام میافتد. اگر گویهای بزرگ زیادی می‌داشتید، نهایتا همهی آن‌ها نزدیک لایه‌ی بالایی محفظه به دام می‌افتادند. اگر مقدار زیادی آجیل‌های بزرگ و مقداری تکه‌های کوچکِ آجیل را تصور کنید، با گذشت مدت کوتاهی کل پودر و تکه‌های کوچک به پایین میروند و در نهایت اثر آجیل برزیلی را مشاهده می‌کنید.
برای تایید فرضیه این مقاله که در آن تمامیِ جریان‌ها ناشی از اصطکاک با دیواره‌های محفظه بودند، آن‌ها آزمایش را با استفاده از یک محفظه با یک سطح زبر و یک سطح صیقلی تکرار کردند. سطح زبر اصطکاک بسیار بیشتری فراهم میکند، و همان‌طور که انتظار داشتند دیواره‌ی زبرِ محفظه منجر به جریان بسیار بیشتری در اطراف خود به سمت پایین شد:
در تصویر بالا، سطح سمت راست محفظه زبر است و اصطکاک را فراهم میکند، در حالی که دیواره‌ی سطح سمت چپ صیقلی است و تقریبا هیچ اصطکاکی فراهم نمی‌کند. در نتیجه، جریانِ به سمت پایین، تنها در سمت راست محفظه اتفاق میافتد.
منبع: نایت و همکاران، ۱۹۹۳
گروه دانشمندان آزمایشات را متوقف نکرده و تصمیم گرفتند تا محفظه‌ای با شکلی دیگر را امتحان کنند، و به طور شگفت‌انگیزی آن‌ها بررسی رفتار یک مخروط را در نظر گرفتند که منجر شد تا حد زیادی به دم‌آوری‌های وی۶۰ شبیه شود! آن‌ها دقیقا همان آزمایش را تکرار کردند، و موضوع شوکه کننده‌ای را مشاهده کردند. جریان به طور کلی برعکس شد، و این باعث شد تا گویهای بزرگ به جای سطح، در انتهای محفظه گیر کنند.
یک محفظه مخروطی مسیر جریان‌های همرفت مانند را برعکس میکند و باعث میشود تا گویهای بزرگ در انتهای آن گیر کنند.
منبع: نایت و همکاران، ۱۹۹۳، اصلاح شده.
همچنین، آن‌ها مشاهده کردند که ضخامت جریان رو به بالای کناره‌ها‌ی مخروط، در مقایسه با محفظه استوانه‌ای کمی بیشتر است. در اصل، این موضوع می‌تواند بدین معنا باشد که در قیاس با محفظه‌ی استوانه‌ای، در محفظه‌ی مخروطی ذرات کمی درشت‌تر به جای به دام افتادن در محلی، می‌توانند چرخه را کامل کنند.
مقاله علمی دیگری توسط هیمدی و همکاران او، این ترتیب زیبا را نشان داد که چگونه لایه‌های گویهای رنگی برای آشکار ساختن جزئیاتِ ساختار این جریان، با لرزش شکل میگیرند:
ردیف بالایی عکس‌ها: سلسله زمانیچگونگی تأثیر لرزش‌ها بر لایه‌های گویهای رنگی را نشان می‌دهد.
ردیف پایینی: مشابه و همانند ردیف قبلی بوده به استثنای گوی بزرگی که نشان می‌دهد چگونه در سطح گیر میکند.
منبع: هیمدی و همکاران، ۲۰۱۲.
آن‌ها همچنین یک تصویرسازی زیبا از مسیرِ جریان را نشان میدهند:
با درنظرگیری تمام این نتایج، شاید فکر کنید که یک محفظه V شکل ممکن است نقطه مقابل مسدود‌شدن صافی عمل کند؛ زیرا به جای ذرات ریز، ذرات درشت را در انتهای صافی متمرکز میکند. اما چنین چیزی درست نیست زیرا ذرات ریزی که اطراف گوشه‌های صافی کاغذی به گردش در میآیند در مسدود‌شدن صافی دخیل هستند، بدون درنظر گرفتن مسیری که این ذرات در آن جریان دارند. ذرات ریزی که به حدی ریز هستند که به منافذ صافی کاغذی نفوذ کنند، گیر خواهند کرد؛ بنابراین هر نوع حرکتی که ذرات ریز بیشتری را در مجاورت صافی قرار دهد، در رسیدن به نقطه‌ای که صافی مسدود میشود دخیل خواهد بود. به عبارت دیگر، ضربه زدن به یک محفظه مخروطی یا استوانه‌ای در نهایت باعث مسدود شدن صافی میشود، حتی اگر آن‌ها ذرات درشت را در قسمت‌های مختلف بستر قهوه به دام بیندازند.
این مفاهیم همچنین می‌توانند در دم‌آوری قهوه به چند روش دیگر به کار گرفته شوند:
- از یک استوانه لرزان میتوان استفاده کرد تا ذرات درشت را به سطح بالایی کل مقدار قهوه‌ی آسیاب شده برساند، برای اینکه آن را بیرون آورد و توزیع ذرات را دقیق‌تر کرد. این عمل مشابه الک کردن است، اما ممکن است کمی آسان‌تر و سریع‌تر باشد. اگرچه احتمالا این کار بعضی از معایب الک کردن را دارد؛ برای مثال این کار احتمالا بی‌نظمی داشته و تکرار کردن آن سخت است.
- اندازه زاویه دیواره یک دم‌افزار مخروطی را احتمالا میتوان انتخاب کرد تا حتی با وجود لرزش‌ها، جابه‌جایی ذرات را در دم‌افزار به حداقل رساند. همان‌طور که در مقاله نایت در این مورد بحث شد، این حقیقت که دیواره‌های بسیار مورب جریان را برعکس کنند احتمالا بدین معناست که یک شکل هندسی با دیواره‌های دارای اریب کم‌تر بین این مخروط مشخص و استوانه وجود دارد، که تمام حرکت گوی را متوقف میکند. با دیواره‌های بسیار صیقلی هم میتوان به این موضوع رسید، اما به یاد داشته باشید که لبه‌های بستر قهوه، صافی‌های کاغذی هستند و ممکن نیست که یک صافی کاغذی بسیار صیقلی و بدون اصطکاک داشته باشیم.
- اگر صافی‌ای داشتیم که مسدود نمی‌شد، میتوانستیم از این دوباره شکلگیری ذرات بستر قهوه برای داشتن عصاره‌گیری یک‌دست‌تر استفاده کنیم. به طور معمول، انتهای بستر قهوه تنها در تماس با آب غلیظ بوده و این باعث میشود تا انتهای آن با میزان کم‌تر و به یک روش متفاوت عصاره‌گیری شود: این آب غلیظ ترجیحا مواد شیمیایی که در آب حل نشده‌اند را عصاره‌گیری میکند. در مورد دم‌افزارهای مخروطی به دلیل مقدار آب بیشتری که از انتهای بستر قهوه عبور میکند، این نوع عصاره‌گیری را بدلیل شکل هندسیشان تا حدودی جبران میکنند و این اتفاق مانع از کم عصاره‌گیری از انتهایِ بستر قهوه میشود. هرچند که این راه حل درستی نیست؛ زیرا هنوز هم انتهای بستر قهوه به روش متفاوتی عصاره‌گیری میشود. استفاده از لرزش برای دوباره شکلگیری بستر قهوه بدون مسدود‌شدن صافی، عالی اما چالش‌برانگیز خواهد بود. برای این کار نیاز است تا هم توزیع ذرات قهوه بسیار یکسان صورت‌گیرد و هم منافذ صافی بسیار کوچکتر از ذرات و با هم برابر باشند.
به یاد داشته باشید که این مقالات براساس سناریوها و شرایط ایده‌آل هستند که از کاربرد آن‌ها در دم‌آوری قهوه می‌کاهد. این‌ها نکاتی هستند که به آن‌ها فکر می‌کردم، و ممکن است که تعدادشان از این هم بیشتر باشد:
- وجود آب در دم‌افزار نیروهای مضاعفی فراهم میکند (کشیده شدن در امتداد جریان آب و شناوری به سمت بالا) که ممکن است دلیل جابه‌جایی‌های متفاوت ذرات قهوه باشد. با وجود لرزش، جریانِ ذراتی که پیش‌تر توصیف شدند احتمالا اتفاق بیافتد، اما می‌تواند به وسیله‌ی تأثیرات قوی‌تری از بین برود.
- محققانی که این آزمایشات را انجام دادند از نوع خاصی از ضربه زدن با لرزشی با فرکانس ۳۰ هرتز استفاده کردند. ممکن است که تغییر این فرکانس بر مقاومت و حتی جهت جریان ذرات اثر بگذارد. در عمل، شاید ضربه زدن با انگشت باعث لرزش‌هایی با فرکانس‌های متفاوتی شود.
- شکل ذرات قهوه اصلا شبیه به گوی نیست، که همین می‌تواند بر نتایج تاثیر بگذارد. به طور مشابهی در در سناریو‌های واقعی، به جای ذرات کوچک یک‌دست و تنها یک ذره بزرگ، ذراتی با اندازه‌های بسیار متفاوت داریم. فکر میکنم که این اثرات کم‌تر مساله‌ساز باشند زیرا جریان‌های از نوع همرفت، حتی در محفظه‌هایی با غذاهای خشک و آجیل‌هایِ با شکل و اندازه‌های متفاوت هم مشاهده می‌شوند.
- به یاد داشته باشید که لرزش‌های قوی یا نیروهای به سمت بالا، هنوز هم می‌توانند ذرات درشت را بلند کرده و باعث افتادن ذرات ریز درون شکا‌ف‌ها شوند. این بدین معناست که حتی در سناریوای که شکل هندسی یک محفظه از جابه‌جایی‌های همرفت‌مانند جلوگیری میکند، این نوع حرکت ذرات ریز می‌تواند همچنان رخ دهد.
امیدوارم که این نتایج همان‌طور که برای من جالب بود برای شما هم جالب بوده باشند! همچنین دوست دارم تا از جسی لمبث بابت این مقالات تشکر کنم!
منبع:
جاناتان گانیه (فوریه ۲۰۲۰)، وبسایت کافی آداسترا، فیزیک ذرات ریز.
