راه رفتن روی آب

دانشمندان توضیح می‌دهند که چرا یک مایع گاهی شبیه یک جامد عمل می‌کند
تقریباً هر کسی می‌تواند تفاوت بین یک مایع و یک جامد را بیان کند. یک مایع، جاری می‌شود، در حالی که یک جامد در همان حالت که دارد باقی می‌ماند. شما یک مایع را می‌ریزید، اما یک جامد را هُل می‌دهید. تفاوت آن‌ها به روشنی آب و یخ است. (جامد از نظر شکلی، سفت و پایدار است در حالی که این خاصیت در مایع و گاز وجود ندارد. مایع، ماده‌ای است که با آزادی جاری می‌شود اما حجم ثابتی دارد، مثل آب یا روغن.)
اما بعضی چیزها در هر دو گروه به طور شسته و رفته مثل این تعاریف، جور نمی‌شوند. نمونه‌ی آن‌ها ناخوش رفتاری‌ای است که با حل کردن آرد ذرت در آب به دست می‌آید. (از آرد ذرت برای حجیم شدن کلوچه‌ها یا آب گوشت استفاده می‌شود.) معجون یا در واقع محلول کلوئیدی به دست آمده، شبیهِ یک مایع به نظر می‌رسد و می‌توان آن را به آرامی با دست یا توسط یک قاشق به هم زد. (محلول کلوئیدی، مخلوطی است که در آن، ذرات در سراسر حجم یا سیال پراکنده‌اند.) اما این ظاهرِ قضیه، فریبنده است: یک استخر شنا را با آن پر کنید و آن گاه شما خواهید توانست عرض استخر را روی سطح آن بدوید بدون آن که خیس شوید. این یک حقه‌ی نمایشی خوب در یک مهمانی، یا نقطه‌ی عزیمتی برای ترتیب دادن یک آزمایش در یک نمایشگاه علمی، خواهد بود.
اسکات وِیتوکایتس، فیزیکدانی از دانشگاه شیکاگو می‌گوید: «اگر بخواهید با مشت زدن، آن را سوراخ کنید، ممکن است مچتان را بشکنید.» او و دیگر فیزیکدانان غالباً رفتار و حالات مختلف ماده را مطالعه می‌کنند تا ماهیت نیروهای طبیعی را دریابند. (فیزیک، شاخه‌ای از علم در باره‌ی طبیعت و خواص ماده و انرژی است.)
وِیتوکایتس پس از مشاهده‌ی فیلم‌هایی که نشان می‌داد مردم به سرعت از روی سوپِ آب-آرد ذرت حرکت می‌کنند تصمیم گرفت در مورد چراییِ این موضوع تحقیق کند. در مطالعه‌ای جدید، او و هم‌کارش، چراییِ علمیِ نهان شده در پسِ این چیز، که گاهی مایع و گاهی جامد است، را آشکار کردند.
دانشمندان با یک میله‌ی فلزی محکم به طور عمودی به این مایع کوبیدند و این جریان را با استفاده از تصویر برداریِ بسیار سریع و با استفاده از اشعه‌ی ایکس ثبت نمودند. برای آن که بفهمند واقعاً چه اتفاقی افتاد، آن‌ها به تحلیل داده‌ها با استفاده از یک برنامه‌ی کامپیوتری پرداختند.
میله‌ی آلومینیمی کوبیده شده به سطح محلول کلوئیدی آرد ذرت و آب نمی‌تواند در این محلول فرو رود زیرا ذرات در این معجون در هم دیگر، سفت و فشرده می‌شوند هم‌چنان که برفِ فشرده شده توسط پارو، سفت و سخت می‌شود.
نتایجِ به دست آمده حاکی از آنند که هنگامی که میله به سطح مخلوط می‌خورد، ضربه، مولکول‌های آب را با فشار از زیر خود به بیرون می‌راند. آن چه باقی می‌ماند تنها ذرات آرد ذرت است که به هم فشرده می‌شوند و شبیه یک جامد عمل می‌کنند. چلیدگی یا انبوه شدگی آردهای ذرت، شبیه یک جامد، میله‌ی فلزی را متوقف می‌کند. دانشمندان در دوازدهم جولای، یافته‌های خود را در مجله‌ی Nature گزارش نمودند.
این مشاهدات می‌تواند علت تعلیق عجیبِ گفته شده در ابتدا را بیان نماید. هنگامی که شما دستتان را به آرامی دستتان را به زیر سطح مخلوط می‌لغزانید، آب و آرد ذرت هم‌چنان مخلوط باقی می‌مانند. اما هنگامی که شما به شدت به مخلوط ضربه می‌زنید، یا روی آن به سرعت می‌دوید، آب از زیر محل تماس به سرعت به خارج پرت می‌شود و آرد ذرت در آن جا سفت می‌شود.
دانیل بان، فیزیکدانی در دانشگاه آمستردام، تحقیق دیگری را خود روی محلول آبکی آرد ذرت با شلیک گلوله به این مایع چسبناک هدایت کرده است. او می‌گوید از نتیجه‌ی به دست آمده متعجب نشده است «اما آزمایش، جالب بود زیرا آن‌ها توانستند داخل محلول را هنگامی که آرد ذرت فشرده و ضخیم می‌شد ببینند».

توضیح شکل: این معجون آرد ذرت و آب، شبیه یک مایع عمل می‌کند. اما دستتان را روی سطح آن بگذارید و بالا بکشید، همان‌طور که محققی در این تصویر چنین کرده است. مشاهده می‌کنید که معجون به دستتان می‌چسبد و با دستتان بالا کشیده می‌شود (قبل از آن که جاذبه‌ی زمین غالب شود و ماده از دست چکه کند).
تحلیل علمی‌تر این مسأله به این شرح است: یک تخته‌ی نازک چوبی را در نظر گیرید که گوشه‌های آن بر تکیه‌گاه‌های مناسب قرار داده شده‌اند و تخته به صورت افقی قرار گرفته است. در این حال اگر وزنه‌ای نه خیلی سنگین بر قسمت میانی تخته گذاشته شود تخته مقداری به طرف پایین شکم می‌دهد اما نمی‌شکند. اما اگر وزنه به اندازه‌ی کافی سنگین باشد با گذاشتن آن روی تخته، باعت شکسته شدن تخته می‌شویم و به عبارتی وزنه در تخته فرو می‌رود. نیروی اعمالی از وزن وزنه باعت گسستن پیوستگی تخته شده است و اجازه داده است وزنه به درون تخته وارد شود. حال یک ماده‌ی ژله‌ای را در نظر بگیرید. با گذاشتن وزنه‌ای سبک بر روی آن، تنها باعث تغییر شکل سطح ژله به خصوص در زیر وزنه می‌شویم. اما اگر وزن وزنه به اندازه‌ی کافی زیاد باشد با گذاشتن آن روی ژله باعث گسست پیوستگی یا به عبارتی باعث پارگی ژله و نفوذ یا فروروی وزنه در آن می‌شویم. مایعات، به دلیل جاذبه‌ی مولکولی که بین مولکول‌های آنها وجود دارد تا حدودی شبیه ژله رفتار می‌کنند و این را مثلاً با گذاشتن سوزنی نسبتاً چرب بر روی سطح آب که باعث فروروی سطح آب بدون فروروی سوزن در عمق آب می‌شود می‌توان ملاحظه کرد. مسلماً اگر سوزن، کاملاً چرب و به اندازه‌ی کافی سنگین باشد بدون تر شدن، پیوستگی آب را پاره می‌کند و به عمق آب فرو می‌رود. پس فرو روی، وقتی صورت می‌گیرد که پیوستگی ماده، حتی به صورت موقت، پاره شود. در مایعات، چسبندگی بین مواکول‌های مایع و جسمِ فرورونده می‌تواند به عمل فرو روی کمک کند. مثلاً جسمی که به راحتی توسط آب تر می‌شود به محض تماس با آب، آب را به خود جذب یا به عبارتی خود را به درون آب می‌کشد.
در مخلوطِ چسبناک آرد ذرت و آب، احتمالاً سرعت چسبندگی مولکول‌ها یا ذرات مخلوط با اشیاء خارجی چندان زیاد نیست. این البته به معنای ضعیف بودن قدرت چسبندگی نیست. هم‌چنین به نظر می‌رسد این درست است که اگر روند چسبندگی، کند باشد روند جدا شدن نیز کند خواهد بود (یا غالباً این‌گونه است). این مخلوط، خاصیت دیگری نیز دارد و آن این که هرگاه قسمتی از سطح این محلول کلوئیدیِ سیال، به طور ضربه‌ای به سرعت فشرده شود آبِ مخلوط در زیر سطح فشار، تحت این فشار به قسمت‌های دیگر هل داده می‌شود در حالی که این امکان برای آرد ذرت (به دلیل این که اصولاً ابتدائاً سیال نیست) وجود ندارد و در زیر سطح فشار، فشرده و چلیده شده و به طور موقت هم‌چون تخته‌ای سفت و محکم عمل می‌کند. این حالت هر چه ضربه شدیدتر باشد قوی‌تر است یعنی در مقابل ضربه‌های شدیدتر، تخته شدگی موقتی آرد در زیر ضربه، بیشتر و جامدتر و محکم‌تر است. این به این معناست که در مقابل ضربه، این مخلوط، مقاومت زیادی در مقابل پاره شدگی دارد و مانع فرو روی می‌شود. این مسأله وقتی تشدید می‌شود که چسبندگی بین این مخلوط و جسم ضربه زننده کند باشد و در لحظات کوتاه تماس ضربه‌ای، فرصتی برای جذب مخلوط به سطح جسم ضربه زننده جهت کمک به فرو روی نباشد. (همین کندی چسبندگی است که همان‌گونه که در بالا گفته شد کندی جدا شدگی یا کندیِ به صورتِ قطره چکیدن بعد از بیرون کشی را نیز به دنبال دارد.)