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، 1993، 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

۲-کنترل کردن گسی در قهوه

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، 1993

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 وی60 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، 1993، 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، 2012.

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 30 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 2020)، وبسایت کافی آداسترا، فیزیک ذرات ریز.