פיסיקה
תיאוריה חדשה מנסה להסביר היווצרות סתימות בממגורות
תבואה. למרבה ההפתעה, מדובר בגילוי בסיסי וחשוב על
תכונות חומרים
חקלאי, יש לך פולימר במשפך
מאת ג'יימס גלנץ
פיסיקאים רבים יאמרו שאין דברים רבים שישוו למאיץ החלקיקים,
למיקרוסקופ האלקטרוני, ללייזר ולסילו החיטה - כמכשירים לחשיפת
חוקי הטבע הבסיסיים. סליחה, סילו החיטה? כן, בהחלט. באחרונה
גילו פיסיקאים כי חוקי היסוד שבבסיס הזרימה, התנודות והמפולות
של חומרים גרעיניים (granular) כמו תבואה, הם מורכבים ומסובכים
להבנה ממש כמו החוקים שבבסיס התנהגות חלקיקים תת-אטומיים או
מוליכי-על.
חומרים גרעיניים שוכנים באזור הדמדומים שבין חומרים אמורפיים
כמו גז ונוזל, הזורמים באופן חופשי, לבין מוצקים - שהאטומים
שלהם מסודרים במבנים קבועים ולעתים קרובות שיטתיים מאוד.
החומרים הגרעיניים, שאינם שייכים לא לכאן ולא לכאן, מהווים
קטגוריה רחבה שכוללת ערימות חול, אבקות תרופות, תבואת מזון,
פחיות או בקבוקים על גבי מתקני הסעה, ואפילו תנועת מכוניות.
והם אינם מתנהגים כמו קרוביהם המובנים יותר.
במאמר שפורסם לפני כשבועיים בכתב העת "Letters Physical
"Review דיווחו ד"ר קיווינג טו, מהמכון לפיסיקה באקדמיה סיניקה
שבטייוואן, ושני עמיתיו על תיאוריות חדשות ועל תוצאות ניסויים,
המתייחסים לתופעה אחת שמייחדת את החומרים הגרעיניים - "פקקים".
אלו מתרחשים בדרך כלל במזינים אוטומטיים, שמעבירים את הדגנים
מהסילו אל משאיות וקרונות מטען.
מדענים ומהנדסים, וכמובן חקלאים, יודעים זה כבר שפקקים אלה
מתרחשים בעקבות היווצרות קימורי תבואה בפי המזין. קימורים אלה
גורמים להאטת זרימת הגרעינים שמעליהם, עד לעצירה מוחלטת. אבל
אף על פי שמדענים יצרו הדמיה של תנועת כל אחד מהגרגרים באמצעות
מחשבי-על, אף אחד לא הצליח לשפוך אור על סיכויי התרחשותן של
סתימות כאלו.
במאמרם הראו ד"ר טו ועמיתיו כי לעתים קרובות, שילוב של טכניקות
תיאורטיות מתחום הפיסיקה של גזים ומולקולות יכול לשמש לניבוי
סיכויי התרחשותה של סתימה במזין אוטומטי אידיאלי.
המזין שבדקו היה למעשה דו-ממדי, והורכב משתי צלעות משופעות
הנתמכות בשני קירות מקבילים. את גרגרי התבואה דימתה שכבה בודדת
של דיסקות קטנות עשויות פלדת אל-חלד, מה שאיפשר למדענים לצלם
אלפי סתימות ולהשוותן עם אלו שניבאה התיאוריה. הניסויים הראו
כי בתנאי מעבדה אלו, קימור של חמש דיסקות הוא שיצר את מרבית
הסתימות.
התיאוריה, באופן הבסיסי ביותר, מתייחסת אל הקימורים כאל סוג של
"פולימר" גדול, או שרשרת מולקולות בגודל עצום. היא מעריכה את
הסיכויים שהגרגרים יסתדרו בפולימר מסוג זה על בסיס שיטות
סטטיסטיות, המוכרות מהפיסיקה של גזים ונוזלים.
ד"ר ג'יימס קאקאליוס, מרצה לפיסיקה באוניבסיטת מינסוטה, אמר כי
התובנה שעליה מצביע המחקר עשויה להיהפך ל"אבן יסוד בהבנת
זרימות ממזינים אוטומטיים, שעשויה להוביל למחקר מעניין מאוד".
לדבריו, בעבור תעשיות התלויות במזינים אוטומטיים ומגלגלות בכל
שנה מיליארדי דולרים, כל שיפור בהבנת הדרך שבה נוצרות סתימות
"עשוי להשפיע על חיי האדם הממוצע באופן הרבה יותר ישיר
ממוליכי-על בטמפרטורות גבוהות או תיאוריית המיתרים".
לדברי ד"ר מלאני האנט, מהנדסת מכונות במכון לטכנולוגיה
בקליפורניה, סתימות גורמות בעיות רבות בתעשיות, התלויות בהעברה
מהירה של חומרי גלם כמו חומרים כימיים יבשים, אבקות וחומרים
פלסטיים. "מהנדסים נתקלים בכל מיני בעיות רק בניסיון לשנע את
החומרים האלה", אמרה האנט. "הם היו מאושרים אילו היתה להם דרך
מהימנה לחשב את זרימת החומרים".
אולם לדבריה, כדי שלתיאוריה זו תהיה השפעה ישירה על התעשייה,
היא תצטרך להביא בחשבון גורמים בעייתיים כמו חיכוך בין
החלקיקים (שהופחת למינימום באמצעות השימוש בדיסקות פלדת
אל-חלד), לחות ומצבים אטמוספיריים אחרים, וטיבם התלת-ממדי של
רוב המזינים האוטומטיים. ד"ר טו אמר שהוא כבר עובד על תיאוריה
שתכלול רבות מהשפעות אלו, אף על פי שהוא הודה שחלקן יקשו מאוד
על החישובים.
לדברי סידני נייג'ל, פיסיקאי מאוניברסיטת שיקגו, להבנה המעשית
של הסתימות האלו, חשובה ככל שתהיה, עשויות להיות השלכות גדולות
עוד יותר על הפיסיקה הבסיסית. נייג'ל וד"ר אנדראה ליו, העובדת
במחלקה לכימיה וביוכימיה באוניברסיטת קליפורניה שבלוס אנג'לס,
חקרו את האפשרות שסתימות אלו עשויות להיות חלק מתופעה
אוניוורסלית יותר. לדבריהם, סתימה שגרתית כזאת עשויה להיות
קשורה באופן הדוק לבעיה אחרת, שתיסכלה את הפיסיקאים במשך עשרות
שנים - המעבר של נוזל לזכוכית כשהטמפרטורה שלו יורדת וצמיגותו
עולה. זכוכית היא חומר מוצק, אבל היא חולקת כמה מתכונותיה עם
נוזלים מכיוון שהמולקולות שלה אמורפיות ואינן מסודרות במבנה
מאורגן. "עד כה לא הצלחנו לנסח תיאוריה שתסביר את טבע הזכוכית
והמעבר שלה מנוזל למוצק", אמר נייג'ל. לדבריו, ייתכן
שהמולקולות שבנוזל למעשה יוצרות סתימה עם ירידת הטמפרטורה.
לדברי טו, למרות כל ההשלכות האפשריות של מחקרו, הוא עדיין מנסה
להבין בדיוק מדוע התיאוריה הפשוטה הצליחה במקרה הזה ולהרחיב
אותה למזינים אוטומטיים מציאותיים יותר. דבר אחד שהוא עדיין
אינו מוכן לעשות, הוא לתת עצות לחקלאים ולמהנדסים בנושא תכנון
המזינים האוטומטיים. לפני שיצליח לפתור את בעיית התלת-ממדיות,
אמר, "אני באמת לא רוצה לתת עצות כלשהן".
(פורסם במקור ב-9.1)
ראשי
מפת אתר
צור קשר