دستان خيس در سرب داغ!
نويسنده: جرل واكر
مترجم: احسان مرادي مطلق
مترجم: احسان مرادي مطلق
توجه: هرگز اين آزمايش ها را تكرار نكنيد!
راز بسياري از كارهاي حيرت آور، در اصول دانش فيزيك نهفته است
آب چگونه به جوش مي آيد؟ اين يك حادثه بسيار ساده است. شما ممكن است به تمام ويژگي هاي عجيب و غريب جوشيدن آب توجه كرده باشيد. بعضي از اين ويژگي ها كاربردهاي صنعتي دارند و برخي ديگر در نمايش ها به كار مي روند.
ظرفي را از آب لوله كشي پر كرده و بر روي يك منبع حرارتي قرار دهيد. به تدريج كه آب گرم مي شود، مولكول هاي هواي محلول در آب خارج شده و مانند حباب هاي كوچكي در كف ظرف جمع مي شوند. (تصوير a.1). حباب هاي هوا به تدريج پر از هوا مي شوند، سپس شروع به فشرده شدن و بالا رفتن تا سطح آب مي كنند. (تصوير b-f.1). زماني كه اين حباب ها به سطح آب رسيده و خارج مي شوند، حباب هاي هواي بيشتري در شكاف هاي كف ظرف شكل گرفته و فشرده مي شوند، تا جايي كه ميزان هواي موجود در آب كاهش يابد. تشكيل حباب هاي هوا نشان مي دهد كه آب در حال داغ شدن است، اما اين ربطي به جوشيدن ندارد.
آبي كه مستقيماً در معرض جو (اتمسفر) قرار دارد در دمايي كه گاهي اوقات دماي جوش نرمال (Ts) ناميده مي شود، مي جوشد. براي مثال، دماي جوش نرمال آب (Ts) در فشار يك اتمسفر (1atm) برابر 100 درجه سانتي گراد است. از آنجا كه كف ظرف مستقيماً در معرض اتمسفر هوا قرار ندارد، پس زماني كه دماي آب حتي كمي بيشتر از Ts شود، به صورت مايع باقي مي ماند. در طول اين فرايند، هنگامي كه آب داغ به سمت بالا و آب سرد به سمت پايين مي رود، آب به طور مداوم با گرما همراه مي شود.
اگر شما دماي ظرف را افزايش دهيد، در حالي كه مولكول هاي آب در شكاف هايي كه اكنون خشك شده اند قرار دارند، سطح پاييني آب شروع به بخار شدن مي كند، همانند حباب هاي هوا در تصوير 1. اين مرحله از جوشيدن با صداهاي تيز و تركيدن ها و در آخر با وزوز كردن آشكار مي شود.
هر زمان كه حباب بخار به سمت‌آبي كه مقداري سردتر است پيش مي رود (بالا مي رود)، حباب ناگهان از هم پاشيده مي شود، زيرا بخار داخل آن از هم پاشيده مي شود. هر فروپاشي يا از هم پاشيده شدن حباب ها يك موج صدا را به بيرون منتقل مي كند و اين همان صداي تيزي است كه شما مي شنويد. زماني كه دماي آب افزايش يابد، حباب هايي كه در كف ظرف تشكيل مي شوند ديگر تا رسيدن به سطح آب از هم پاشيده نمي شوند. اين مرحله از جوش را "حباب هاي ايزوله شده"(1) مي نامند.(تصوير2)
اگر باز هم دماي ظرف را افزايش دهيد، صداي تركيدن حباب ها بلندتر شده و سپس از بين مي رود. زماني كه حجم مايع به اندازه كافي داغ شود، حباب هايي كه به سطح آب مي رسند ديگر با صداي كمي شروع به تركيدن مي كنند. اينك آب در جوش كامل است.
فرض كنيد شما به افزايش دماي ظرف ادامه داده ايد. سرانجام تمام كف ظرف با بخار پوشيده شده و انرژي به آهستگي توسط تابش و انتقال تدريجي به مايع بالاي بخار منتقل مي شود. اين مرحله "جوش فيلم"(5) ناميده مي شود.
اگرچه شما با ظرف آبي كه بر روي اجاق گاز آشپزخانه است نمي توانيد به جوش فيلم برسيد، اما اين كار به طور معمول در آشپزخانه رخ مي دهد. زماني مادربزرگم براي نشان دادن اين كه چه موقع قالب خمير به اندازه كافي داغ شده است، از اين روش استفاده مي كرد. بعد از اين كه او قالب يا ديگ را براي مدتي گرم مي كرد، چند قطره آب به درون آن مي پاشيد. در طول چند ثانيه قطره ها جلز و ولز مي كردند. ناپديد شدن سريع قطره هاي آب به او هشدار مي دادند كه ديگ به اندازه كافي براي قالب خمير داغ نشده است. او بعد از مدتي آزمايش خود را با مقدار بيشتري آب تكرار مي كرد و زماني كه قطره هاي آب به صورت مهره مهره و در سراسر كف ديگ به رقص درمي آمدند و اين رقصيدن چند دقيقه اي ادامه داشت، مي فهميد كه ديگ به اندازه كافي براي خمير داغ شده است.
براي بررسي آزمايش وي، يك صفحه فلزي مسطح كه توسط يك گرم كن آزمايشگاهي گرم مي شد فراهم كردم. درحالي كه درجه حرارت صفحه را با يك ترمو كوپل مشاهده مي كردم، به دقت چند قطره آب تقطير شده به درون گودي كه روي آن صفحه با يك چكش سرگرد ايجاد كرده بودم، ريختم. سرنگ اين اجازه را به من مي داد تا قطرات آب را به اندازه يكسان بچكانم. زماني كه قطره آب را رها مي كردم، زمان گيري كردم كه چه مدت در درون صفحه دوام مي آورند. بر روي نموداري، زمان هاي دوام قطره ها را در مقابل دماي صفحه رسم كردم (تصوير3). نمودار يك قله نادر دارد. زماني كه دماي صفحه بين 100 درجه سانتي گراد تا 200 درجه سانتي گراد بود، هر قطره در طول صفحه در لايه نازكي پراكنده شده و به سرعت بخار مي شد. وقتي كه دماي صفحه به حدود 200 درجه سانتي گراد مي رسيد، قطره اي كه بر روي صفحه مي افتاد حدود يك دقيقه دوام مي آورد. حتي در دماهاي بالاتر صفحه، مهره هاي آب مدت زيادي دوام نمي آوردند. آزمايش هاي زياد با آب لوله كشي، نموداري با قله صاف تر ايجاد كرد. شايد به دليل اين كه ذره هاي معلق يا ناخالصي هاي درون قطره، لايه بخار را دچار شكاف كرده و گرما را به درون قطره ها منتقل مي كند.
اين حقيقت كه قطره آبي كه بر روي فلزي بسيار گرم تر از دماي جوش آب مي افتد، مدت زيادي دوام مي آورد، نخستين بار توسط "هرمن بوهو"(6) در سال 1732 گزارش شد. اين مسئله تا سال 1756 زماني كه "جوهان گوتلوب ليدن فروست"(7) مقاله اي در مورد ويژگي هاي آب معمولي انتشار داد، به طور گسترده اي خوانده نشد. نام او هنوز هم با اين پديده همراه است. به علاوه، دماي مربوط به قله در نموداري كه من درست كرده ام، نقطه ليدن فروست نام دارد.
ليدن فروست آزمايش هايش را با يك قاشق آهني كه در يك كوره با گرماي زياد سرخ مي شد، انجام داد. بعد از انداختن يك قطره آب بر روي قاشق، زمان دوام آنها را توسط نوسانات يك آونگ اندازه گيري كرد. او متوجه شد كه به نظر مي رسد قطره آب نور و گرما را از قاشق مي مكد و آن محل را كم رنگ تر از مابقي قاشق مي كرد. نخستين قطره 30 ثانيه طول كشيد تا در قاشق ته نشين شود، در حالي كه قطره بعدي تنها 10 ثانيه و قطره هاي اضافي تنها چند ثانيه، طول كشيد تا ته نشين شوند.
ليدن فروست اثبات خود را درك نكرد، زيرا او تشخيص نداد كه قطراتي كه مدتي طول مي كشيد تا ته نشين شوند، در واقع در حال جوشيدن بودند. اجازه دهيد در طول آزمايش هايم اين مسئله را شرح دهم. زماني كه دماي صفحه كمتر از نقطه ليدن فروست است، آب در طول صفحه پخش مي شود و به سرعت انرژي گرمايي را از صفحه گرفته و در مدت كمي به بخار كامل تبديل مي شود. زماني كه دما روي يا بالاي نقطه ليدن فروست است، سطح زيرين قطره اي كه روي صفحه افتاده است، تقريباً به سرعت بخار مي شود. فشار گاز حاصل از اين لايه بخار، مانع لمس مابقي قطره توسط صفحه داغ مي شود.(تصوير5) براي چند لحظه يا شايد هم بيشتر، لايه بخار از قطره در مقابل بخار شدن محافظت مي كند. هنگامي كه به علت انتقال انرژي محافظت مي كند. هنگامي كه به علت انتقال انرژي توسط تابش از طريق لايه بخار، آب اضافي از سطح زيرين قطره بخار شد، لايه بخار به تدريج پر از آب مي شود. اگرچه ضخامت لايه بخار در نزديكي لبه خارجي قطره كمتر از 0/1 ميلي متر و در مركز حدود 0/2 ملي متر است، به طور چشم گيري سرعت بخار شدن را كم مي كند.
بعد از خواندن ترجمه تحقيق ليدن فروست، به توصيفي از يك شاهكار شگفت انگيز برخوردم كه در نمايش هاي كارناوالي صورت گرفته بود. طبق گزارش ها، بازيگر قادر بود انگشتان خيس خود را درون سرب ذوب شده فرو برد. به فرض اين كه اين شاهكار نمايشي هيچ حقه اي در خود نداشته باشد، من حدس زدم كه مي بايست به نتيجه ليدن فروست ربط داشته باشد. به محض اين كه گوشت انگشت بازيگر فلز ذوب شده را لمس مي كرد مقداري از آب روي آن بخار مي شد و انگشتان را با لايه اي از بخار مي پوشاند. اگر زمان فرو بردن دست كم باشد، امكان ندارد انگشت دست زياد گرم شود.
من نتوانستم در مقابل وسوسه آزمايش كردن توضيحاتم مقاومت كنم. مقدار زيادي از سرب را در يك ظرف مخصوص ذوب فلز، ذوب كردم. ذوب را گرم كردم تا اين كه دمايش به بيش از 400 درجه سانتي گراد يعني بالاتر از دماي ذوب سرب (328 درجه سانتي گراد) رسيد. بعد از خيس كردن انگشتم با آب لوله كشي، براي لمس سطح بالايي سرب ذوب شده آماده شدم. بايد اعتراف كنم كه يك دستيار، آماده باش با وسايل كمك هاي اوليه، به همراه داشتم. همچنين بايد اعتراف كنم كه چندين تلاش اوليه من بي نتيجه ماند، زيرا مغزم اجازه اين آزمايش جالب را نمي داد و هميشه انگشتم را براي لمس نكردن سرب هدايت مي كرد.
سرانجام، زماني كه بر ترسم غلبه كردم، توانستم به طور مختصر سرب را لمس كنم. هيجان زده شده بودم. گرمايي در دستم احساس نكردم. همان طور كه حدس زده بودم، بخشي از آب روي انگشت بخار شده و يك لايه حفاظتي را شكل داده بود در نتيجه، تابش و انتقال انرژي گرمايي از طريق لايه بخار براي افزايش قابل درك دماي گوشت انگشتم كافي نبود. شجاعتم را افزايش دادم. بعد از مرطوب كردن دستم، همه انگشتانم را در سرب فرو بردم و كف ظرف را لمس كردم. (تصوير4). تماس با سرب آن چنان كوتاه بود كه منجر به سوختگي نشد. ظاهراً اثر ليدن فروست يا به طور دقيق حضور فوري جوش فيلم، از انگشتانم محافظت مي كرد.
هنوز در مورد توضيحم سوالاتي داشتم. آيا احتمال داشت كه بتوانم بدون رنج سوزش، با انگشت خشك سرب را لمس كنم؟ با كنار گذاشتن تمامي افكار منطقي، آن را آزمايش كردم. خيلي زود زماني كه درد را در انگشتم حس كردم، به حماقت خود پي بردم. يك سوسيس خشك را آزمايش كردم و براي چندين ثانيه آن را داخل سرب ذوب شده نگه داشتم. پوست سوسيس به سرعت سياه شد. سوسيس درست مانند انگشت خشك من فاقد حفاظت جوش فيلم بود.
مي بايست احتياط مي كردم چرا كه فرو بردن انگشتان درون سرب ذوب شده، خطرات جدي فراواني را به دنبال دارد. اگر سرب فقط به مقدار كمي بالاتر از نقطه ذوبش باشد، كاهش انرژي آن در اثر بخار شدن آب، ممكن است باعث محكم و جامد شدن سرب در اطراف انگشتانم شود. اگر با پوشيدن اين دستكش داغ، سرب منجمد را بالا مي كشيدم، مطمئنا مي بايست در اثر تماس طولاني، انگشتانم به طرز بدي مي سوختند. من همچنين بايد با احتمال صداي جلزو ولز مخالفت مي كردم، به علاوه، خطر شديد وجود آب زياد روي انگشتانم وجود داشت. زماني كه آب اضافي به سرعت بخار مي شود، مي تواند سرب ذوب شده را به اطراف پخش كند و به طور جدي به درون چشم بپاشد. من از اين كه چنين بخارهاي انفجاري به دستان و چشمانم بپاشد هراس داشتم. شما نبايد هرگز چنين آزمايشي را تكرار كنيد.
همچنين زماني كه نيتروژن مايع ريخته مي شود جوش فيلم مي تواند ديده شود. قطرات و ذرات كوچك زماني كه به سطحي مي افتند، به شكل مهره مهره درمي آيند. دماي مايع در حدود 200- درجه سانتي گراد است. زماني كه مايع ريخته شده به سطح نزديك مي شود، سطح زيرين قطره بخار شده و يك لايه بخاري براي جلوگيري از بخار شدن بقيه قطره مايع ايجاد مي كند و به مايع اجازه مي دهد كه به طور عجيبي براي مدت طولاني باقي بماند.
از هنرنمايي و شاهكاري با من صحبت شد كه در آن يك بازيگر، نيتروژن مايع را در دهانش مي ريخت بدون اين كه سرماي شديد به او آسيب برساند. مايع سريعاً در سطح زيرين خود دستخوش جوش فيلم شده و بنابراين مستقيماً زبان را لمس نمي كرد. به طرز احمقانه اي من اين آزمايش را تكرار كردم. ده ها بار شاهكار به طرز روان و مهيجي پيش رفت. با مقدار زيادي از نيتروژن مايع در دهانم، تمركز مي كردم كه در حين بازدم (خروج هوا از ريه ها) آن را قورت ندهم. رطوبت موجود در نفس سردم فشرده شده و توده اي مهيب ايجاد مي شد كه حدود يك متر از دهانم به طرف بالا گسترش پيدا مي كرد. به هر حال، در آخرين تلاشم نيتروژن مايع دو تا از دندان هايم را منقبض كرد به طوري كه ميناي آنها ترك هاي زيادي برداشت. در نهايت، دندان پزشكم مرا متقاعد كرد كه به آزمايشم ادامه ندهم.
همچنين، نتيجه ليدن فروست ممكن است در يك آزمايش بي پرواي ديگر نقشي داشته باشد: راه رفتن روي زغال افروخته. زماني رسانه هاي خبري در مورد بازيگري كه با شادماني بسيار و بي حسي عجيبي بر روي زغال داغ راه مي رفت، گزارشي دادند. شايد اين ادعا مطرح بود كه "تمركز بر موضوع"(8) باعث جلوگيري از سوختن توسط زغال بود. در واقع، زماني كه راه رفتن روي زغال با موفقيت انجام مي شود، اين علم فيزيك است كه از پا محافظت مي كند. مخصوصاً نكته مهم اين حقيقت است كه اگرچه زغال كاملاً داغ است، به طور شگفت آوري داراي انرژي كمي است. اگر بازيگر با سرعت متوسطي حركت كند، تماس پا با سطح به حدي كم است كه انرژي كمي از زغال به پا منتقل مي شود. البته قدم زدن آهسته تر موجب سوختگي مي شود، زيرا تماس طولاني موجب مي شود كه انرژي از داخل زغال به پا منتقل شود.
اگر پاها قبل از قدم زدن خيس باشند، مايع ممكن است به حفاظت آنها كمك كند. براي خيس كردن پاها ممكن است بازيگر درست قبل از تماس با زغال، بر روي چمن هاي خيس راه برود. به جاي اين عمل، ممكن است پا در اثر گرماي زغال و يا هيجان نمايش عرق كند. زماني كه بازيگر روي زغال است، مقداري از گرما، مايع روي پاها را بخار مي كند و موجب مي شود كه انرژي كمتري به گوشت پا منتقل شود. به علاوه، ممكن است نقاطي از تماس وجود داشته باشد كه مايع متحمل جوش فيلم شود و به اين وسيله حفاظت مختصري در برابر زغال ايجاد مي شود.
من در پنج موقعيت بر روي زغال هاي داغ راه رفتم. در چهار مورد از آنها به اندازه اي هراسان بودم كه پاهايم عرق كردند. به هر حال، در پنجمين بار ايمني ام را آن چنان زياد پنداشته بودم كه باعث خشك ماندن پاهايم شد و در نهايت سوزش هاي بزرگ و بسيار دردناكي را تحمل كردم؛ به طوري كه پاهايم تا چندين هفته بهبود پيدا نكردند. ممكن است عدم موفقيت من ناشي از نداشتن جوش فيلم روي پاهايم باشد.
من بحث هاي طولاني داشتم كه برنامه هاي دريافت درجه (گواهي نامه) بايد "راه رفتن روي آتش"(9) را مانند يك آزمون پاياني به كار ببرند. زماني كه كانديداي دريافت گواهي نامه با بي ميلي مي خواهد از تخته زغال هاي قرمز داغ عبور كند، مدير برنامه با در دست داشتن گواهي نامه بايد در طرف ديگر زغال ها منتظر او باشد. اگر نظر و عقيده كانديدا در فيزيك به اندازه كافي قوي باشد كه بداند پاهايش بدون صدمه باقي مي مانند، مدير برنامه گواهي نامه فارغ التحصيلي را بعد از عبور از زغال هاي داغ به دستان او مي دهد. اين آزمايش بيشتر از آزمون هاي پاياني سنتي تشخيص دهنده خواهد بود!
راز بسياري از كارهاي حيرت آور، در اصول دانش فيزيك نهفته است
آب چگونه به جوش مي آيد؟ اين يك حادثه بسيار ساده است. شما ممكن است به تمام ويژگي هاي عجيب و غريب جوشيدن آب توجه كرده باشيد. بعضي از اين ويژگي ها كاربردهاي صنعتي دارند و برخي ديگر در نمايش ها به كار مي روند.
ظرفي را از آب لوله كشي پر كرده و بر روي يك منبع حرارتي قرار دهيد. به تدريج كه آب گرم مي شود، مولكول هاي هواي محلول در آب خارج شده و مانند حباب هاي كوچكي در كف ظرف جمع مي شوند. (تصوير a.1). حباب هاي هوا به تدريج پر از هوا مي شوند، سپس شروع به فشرده شدن و بالا رفتن تا سطح آب مي كنند. (تصوير b-f.1). زماني كه اين حباب ها به سطح آب رسيده و خارج مي شوند، حباب هاي هواي بيشتري در شكاف هاي كف ظرف شكل گرفته و فشرده مي شوند، تا جايي كه ميزان هواي موجود در آب كاهش يابد. تشكيل حباب هاي هوا نشان مي دهد كه آب در حال داغ شدن است، اما اين ربطي به جوشيدن ندارد.
آبي كه مستقيماً در معرض جو (اتمسفر) قرار دارد در دمايي كه گاهي اوقات دماي جوش نرمال (Ts) ناميده مي شود، مي جوشد. براي مثال، دماي جوش نرمال آب (Ts) در فشار يك اتمسفر (1atm) برابر 100 درجه سانتي گراد است. از آنجا كه كف ظرف مستقيماً در معرض اتمسفر هوا قرار ندارد، پس زماني كه دماي آب حتي كمي بيشتر از Ts شود، به صورت مايع باقي مي ماند. در طول اين فرايند، هنگامي كه آب داغ به سمت بالا و آب سرد به سمت پايين مي رود، آب به طور مداوم با گرما همراه مي شود.
هر زمان كه حباب بخار به سمت‌آبي كه مقداري سردتر است پيش مي رود (بالا مي رود)، حباب ناگهان از هم پاشيده مي شود، زيرا بخار داخل آن از هم پاشيده مي شود. هر فروپاشي يا از هم پاشيده شدن حباب ها يك موج صدا را به بيرون منتقل مي كند و اين همان صداي تيزي است كه شما مي شنويد. زماني كه دماي آب افزايش يابد، حباب هايي كه در كف ظرف تشكيل مي شوند ديگر تا رسيدن به سطح آب از هم پاشيده نمي شوند. اين مرحله از جوش را "حباب هاي ايزوله شده"(1) مي نامند.(تصوير2)
اگر باز هم دماي ظرف را افزايش دهيد، صداي تركيدن حباب ها بلندتر شده و سپس از بين مي رود. زماني كه حجم مايع به اندازه كافي داغ شود، حباب هايي كه به سطح آب مي رسند ديگر با صداي كمي شروع به تركيدن مي كنند. اينك آب در جوش كامل است.
اگر منبع گرماي شما اجاق گاز آشپزخانه است، داستان در همين جا خاتمه مي يابد. به هر حال با يك گرم كن آزمايشگاهي مي توانيد به افزايش دماي ظرف ادامه دهيد. در اين حالت، حباب هاي بخار بسيار زياد شده و از شكاف هاي كف ظرف به طور مداوم فشرده مي شوند. سرانجام اين حباب ها همگي به هم مي پيوندند و ستون هايي از بخار را تشكيل مي دهند كه با شدت و بي نظمي به سمت بالا حركت مي كنند و گاهي نيز به گلوله هاي بي شكل بخار كه از هم جدا شده اند، برخورد مي كنند.
ايجاد ستوني از حباب هاي بخار "جوش هسته اي"(2) نام دارد. زيرا تشكيل و رشد حباب ها به شكاف هايي كه به عنوان جايگاه هاي هسته اي به کار مي روند، بستگي دارد. (جايگاه هاي شكل گيري). زماني كه دماي ظرف را افزايش مي دهيد، گرماي داده شده به ظرف نيز افزايش مي يابد. اگر شما بيشتر از مرحله ستون هاي بخار و گلوله هاي بي شكل(3) به افزايش دماي ظرف ادامه دهيد، جوش وارد فاز جديدي به نام "مرحله انتقال"(4) مي شود. سپس هرگونه افزايش در دماي ظرف، سرعت انتقال انرژي به آب را كاهش مي دهد و اين كاهش سرعت در ظاهر ناممكن اما در واقع كاملاً درست به نظر مي رسد. در مرحله انتقال، بيشتر كف ظرف با يك لايه از بخار پوشيده مي شود. از آنجا كه بخار آب انرژي را بسيار كمتر از آب منتقل مي كند، درنتيجه، انتقال انرژي به آب كاهش مي يابد. هر چقدر ظرف گرم تر شود، تماس مستقيم آب با كف ظرف كمتر و انتقال انرژي نيز كمتر مي شود. اين موقعيت در جايي كه هدف، انتقال گرما از جسم گرم است، ممكن است در مبدل گرما خطرناك باشد. اگر آب درون مبدل گرما (گرم كن) اجازه يابد كه وارد مرحله انتقال شود، ممكن است به طور نابود كننده اي به دليل انتقال كم انرژي از آن، بسيار داغ شود. (انرژي دروني مبدل گرما زياد مي شود).فرض كنيد شما به افزايش دماي ظرف ادامه داده ايد. سرانجام تمام كف ظرف با بخار پوشيده شده و انرژي به آهستگي توسط تابش و انتقال تدريجي به مايع بالاي بخار منتقل مي شود. اين مرحله "جوش فيلم"(5) ناميده مي شود.
براي بررسي آزمايش وي، يك صفحه فلزي مسطح كه توسط يك گرم كن آزمايشگاهي گرم مي شد فراهم كردم. درحالي كه درجه حرارت صفحه را با يك ترمو كوپل مشاهده مي كردم، به دقت چند قطره آب تقطير شده به درون گودي كه روي آن صفحه با يك چكش سرگرد ايجاد كرده بودم، ريختم. سرنگ اين اجازه را به من مي داد تا قطرات آب را به اندازه يكسان بچكانم. زماني كه قطره آب را رها مي كردم، زمان گيري كردم كه چه مدت در درون صفحه دوام مي آورند. بر روي نموداري، زمان هاي دوام قطره ها را در مقابل دماي صفحه رسم كردم (تصوير3). نمودار يك قله نادر دارد. زماني كه دماي صفحه بين 100 درجه سانتي گراد تا 200 درجه سانتي گراد بود، هر قطره در طول صفحه در لايه نازكي پراكنده شده و به سرعت بخار مي شد. وقتي كه دماي صفحه به حدود 200 درجه سانتي گراد مي رسيد، قطره اي كه بر روي صفحه مي افتاد حدود يك دقيقه دوام مي آورد. حتي در دماهاي بالاتر صفحه، مهره هاي آب مدت زيادي دوام نمي آوردند. آزمايش هاي زياد با آب لوله كشي، نموداري با قله صاف تر ايجاد كرد. شايد به دليل اين كه ذره هاي معلق يا ناخالصي هاي درون قطره، لايه بخار را دچار شكاف كرده و گرما را به درون قطره ها منتقل مي كند.
اين حقيقت كه قطره آبي كه بر روي فلزي بسيار گرم تر از دماي جوش آب مي افتد، مدت زيادي دوام مي آورد، نخستين بار توسط "هرمن بوهو"(6) در سال 1732 گزارش شد. اين مسئله تا سال 1756 زماني كه "جوهان گوتلوب ليدن فروست"(7) مقاله اي در مورد ويژگي هاي آب معمولي انتشار داد، به طور گسترده اي خوانده نشد. نام او هنوز هم با اين پديده همراه است. به علاوه، دماي مربوط به قله در نموداري كه من درست كرده ام، نقطه ليدن فروست نام دارد.
ليدن فروست آزمايش هايش را با يك قاشق آهني كه در يك كوره با گرماي زياد سرخ مي شد، انجام داد. بعد از انداختن يك قطره آب بر روي قاشق، زمان دوام آنها را توسط نوسانات يك آونگ اندازه گيري كرد. او متوجه شد كه به نظر مي رسد قطره آب نور و گرما را از قاشق مي مكد و آن محل را كم رنگ تر از مابقي قاشق مي كرد. نخستين قطره 30 ثانيه طول كشيد تا در قاشق ته نشين شود، در حالي كه قطره بعدي تنها 10 ثانيه و قطره هاي اضافي تنها چند ثانيه، طول كشيد تا ته نشين شوند.
بعد از خواندن ترجمه تحقيق ليدن فروست، به توصيفي از يك شاهكار شگفت انگيز برخوردم كه در نمايش هاي كارناوالي صورت گرفته بود. طبق گزارش ها، بازيگر قادر بود انگشتان خيس خود را درون سرب ذوب شده فرو برد. به فرض اين كه اين شاهكار نمايشي هيچ حقه اي در خود نداشته باشد، من حدس زدم كه مي بايست به نتيجه ليدن فروست ربط داشته باشد. به محض اين كه گوشت انگشت بازيگر فلز ذوب شده را لمس مي كرد مقداري از آب روي آن بخار مي شد و انگشتان را با لايه اي از بخار مي پوشاند. اگر زمان فرو بردن دست كم باشد، امكان ندارد انگشت دست زياد گرم شود.
من نتوانستم در مقابل وسوسه آزمايش كردن توضيحاتم مقاومت كنم. مقدار زيادي از سرب را در يك ظرف مخصوص ذوب فلز، ذوب كردم. ذوب را گرم كردم تا اين كه دمايش به بيش از 400 درجه سانتي گراد يعني بالاتر از دماي ذوب سرب (328 درجه سانتي گراد) رسيد. بعد از خيس كردن انگشتم با آب لوله كشي، براي لمس سطح بالايي سرب ذوب شده آماده شدم. بايد اعتراف كنم كه يك دستيار، آماده باش با وسايل كمك هاي اوليه، به همراه داشتم. همچنين بايد اعتراف كنم كه چندين تلاش اوليه من بي نتيجه ماند، زيرا مغزم اجازه اين آزمايش جالب را نمي داد و هميشه انگشتم را براي لمس نكردن سرب هدايت مي كرد.
سرانجام، زماني كه بر ترسم غلبه كردم، توانستم به طور مختصر سرب را لمس كنم. هيجان زده شده بودم. گرمايي در دستم احساس نكردم. همان طور كه حدس زده بودم، بخشي از آب روي انگشت بخار شده و يك لايه حفاظتي را شكل داده بود در نتيجه، تابش و انتقال انرژي گرمايي از طريق لايه بخار براي افزايش قابل درك دماي گوشت انگشتم كافي نبود. شجاعتم را افزايش دادم. بعد از مرطوب كردن دستم، همه انگشتانم را در سرب فرو بردم و كف ظرف را لمس كردم. (تصوير4). تماس با سرب آن چنان كوتاه بود كه منجر به سوختگي نشد. ظاهراً اثر ليدن فروست يا به طور دقيق حضور فوري جوش فيلم، از انگشتانم محافظت مي كرد.
هنوز در مورد توضيحم سوالاتي داشتم. آيا احتمال داشت كه بتوانم بدون رنج سوزش، با انگشت خشك سرب را لمس كنم؟ با كنار گذاشتن تمامي افكار منطقي، آن را آزمايش كردم. خيلي زود زماني كه درد را در انگشتم حس كردم، به حماقت خود پي بردم. يك سوسيس خشك را آزمايش كردم و براي چندين ثانيه آن را داخل سرب ذوب شده نگه داشتم. پوست سوسيس به سرعت سياه شد. سوسيس درست مانند انگشت خشك من فاقد حفاظت جوش فيلم بود.
همچنين زماني كه نيتروژن مايع ريخته مي شود جوش فيلم مي تواند ديده شود. قطرات و ذرات كوچك زماني كه به سطحي مي افتند، به شكل مهره مهره درمي آيند. دماي مايع در حدود 200- درجه سانتي گراد است. زماني كه مايع ريخته شده به سطح نزديك مي شود، سطح زيرين قطره بخار شده و يك لايه بخاري براي جلوگيري از بخار شدن بقيه قطره مايع ايجاد مي كند و به مايع اجازه مي دهد كه به طور عجيبي براي مدت طولاني باقي بماند.
از هنرنمايي و شاهكاري با من صحبت شد كه در آن يك بازيگر، نيتروژن مايع را در دهانش مي ريخت بدون اين كه سرماي شديد به او آسيب برساند. مايع سريعاً در سطح زيرين خود دستخوش جوش فيلم شده و بنابراين مستقيماً زبان را لمس نمي كرد. به طرز احمقانه اي من اين آزمايش را تكرار كردم. ده ها بار شاهكار به طرز روان و مهيجي پيش رفت. با مقدار زيادي از نيتروژن مايع در دهانم، تمركز مي كردم كه در حين بازدم (خروج هوا از ريه ها) آن را قورت ندهم. رطوبت موجود در نفس سردم فشرده شده و توده اي مهيب ايجاد مي شد كه حدود يك متر از دهانم به طرف بالا گسترش پيدا مي كرد. به هر حال، در آخرين تلاشم نيتروژن مايع دو تا از دندان هايم را منقبض كرد به طوري كه ميناي آنها ترك هاي زيادي برداشت. در نهايت، دندان پزشكم مرا متقاعد كرد كه به آزمايشم ادامه ندهم.
همچنين، نتيجه ليدن فروست ممكن است در يك آزمايش بي پرواي ديگر نقشي داشته باشد: راه رفتن روي زغال افروخته. زماني رسانه هاي خبري در مورد بازيگري كه با شادماني بسيار و بي حسي عجيبي بر روي زغال داغ راه مي رفت، گزارشي دادند. شايد اين ادعا مطرح بود كه "تمركز بر موضوع"(8) باعث جلوگيري از سوختن توسط زغال بود. در واقع، زماني كه راه رفتن روي زغال با موفقيت انجام مي شود، اين علم فيزيك است كه از پا محافظت مي كند. مخصوصاً نكته مهم اين حقيقت است كه اگرچه زغال كاملاً داغ است، به طور شگفت آوري داراي انرژي كمي است. اگر بازيگر با سرعت متوسطي حركت كند، تماس پا با سطح به حدي كم است كه انرژي كمي از زغال به پا منتقل مي شود. البته قدم زدن آهسته تر موجب سوختگي مي شود، زيرا تماس طولاني موجب مي شود كه انرژي از داخل زغال به پا منتقل شود.
من در پنج موقعيت بر روي زغال هاي داغ راه رفتم. در چهار مورد از آنها به اندازه اي هراسان بودم كه پاهايم عرق كردند. به هر حال، در پنجمين بار ايمني ام را آن چنان زياد پنداشته بودم كه باعث خشك ماندن پاهايم شد و در نهايت سوزش هاي بزرگ و بسيار دردناكي را تحمل كردم؛ به طوري كه پاهايم تا چندين هفته بهبود پيدا نكردند. ممكن است عدم موفقيت من ناشي از نداشتن جوش فيلم روي پاهايم باشد.
من بحث هاي طولاني داشتم كه برنامه هاي دريافت درجه (گواهي نامه) بايد "راه رفتن روي آتش"(9) را مانند يك آزمون پاياني به كار ببرند. زماني كه كانديداي دريافت گواهي نامه با بي ميلي مي خواهد از تخته زغال هاي قرمز داغ عبور كند، مدير برنامه با در دست داشتن گواهي نامه بايد در طرف ديگر زغال ها منتظر او باشد. اگر نظر و عقيده كانديدا در فيزيك به اندازه كافي قوي باشد كه بداند پاهايش بدون صدمه باقي مي مانند، مدير برنامه گواهي نامه فارغ التحصيلي را بعد از عبور از زغال هاي داغ به دستان او مي دهد. اين آزمايش بيشتر از آزمون هاي پاياني سنتي تشخيص دهنده خواهد بود!
پي‌نوشت‌ها:
1- Isolated vapor bubbles
2- Nucleate boiling
3- Columns and slugs
4- Transition regime
5- Film boiling
6- Hermann Boerhaave
7- Johann Gottlop Leidenfrost
- Mind over matter
9- Fire-walking
/ج
