Acoustic control of Rayleigh-regime liquid-jet breakup using a through-hole MHz transducer

تخيل تياراً من الماء يتدفق من صنبور. في البداهلة، يبدو كعمود أملس وصلب، ولكن مع سقوطه، تنمو تموجات غير مرئية على سطحه حتى ينقطع التيار إلى قطرات فردية. هذا الميل الطبيعي لتدفق السائل للتحلل هو قاعدة أساسية في فيزياء السوائل، مدفوعة بالتوتر السطحي الذي يحاول تقليص مساحة سطح السائل إلى أصغر شكل ممكن. لطالاً سعى العلماء والمهندسون للتحكم في هذه العملية. وسواء كانوا يصممون حاقنات الوقود للمحركات، أو ينشئون طابعات نفث الحبر الدقيقة، أو يولدون بخاخات طبية، فإن القدرة على تحديد مكان وكيفية انقطاع تيار السائل بدقة يمكن أن تعني الفرق بين رذاذ ناعم ومنتظم ورذاذ فوضوي وغير فعال. لعقود من الزمن، حاول الباحثون فرض هذا الانقطاع باستخدام الاهتزازات الميكانيكية، أو المجالات الكهربائية، أو الجذب المغناطيسي، لكن كل طريقة غالباً ما تتطلب خصائص محددة للسائل أو أجهزة معقدة تحد من استخدامها.

لقد أظهر فريق من الباحثين الآن طريقة جديدة للتحكم في هذا الانقطاع باستخدام الصوت، وتحديداً موجات صوتية عالية التردد تتجاوز بكثير ما يمكن للأذن البشرية سماعه. فمن خلال وضع قرص صغير مهتز مباشرة عند مخرج الفوهة، تمكنوا من تقصير المسافة التي يقطعها تيار السائل قبل أن ينقسم إلى قطرات. وتعمل هذه التقنية على الماء العادي والمزيجات الأكثر كثافة على حد سواء، مما يوفر أداة مدمجة ومتعددة الاستخدامات للتلاعب بتيارات السائل دون الحاجة إلى تغيير التركيبة الكيميائية للسائل أو إضافة كهرباء إلى السائل نفسه. وتكشف الدراسة أن التأثير ليس مجرد مسألة هز الماء؛ بل يتضمن تفاعلاً معقداً بين الموجات الصوتية التي تنتقل عبر التيار، والطريقة التي يبلل بها السائل الفوهة، وسرعة تدفق السائل.

قام الباحثون ببناء فوهة متخصصة باستخدام شريحة رقيقة من بلورة تسمى "نيوبات الليثيوم"، والتي تمتلك القدرة الفريدة على الاهتزاز عند تطبيق إشارة كهربائية عليها. وقد حفروا ثقباً في منتصف هذه البلورة ليكون مخرج السائل، مما جعل الفوهة نفسها هي مصدر الاهتزاز. وعندما ضخوا الماء عبر هذا الجهاز وشغلوا إشارة كهربائية مضبوطة على تردد قدره 6.7 مليون دورة في الثانية، بدأت البلورة تهتز بشدة. أطلق هذا الاهتزاز موجات صوتية مباشرة في السائل أثناء خروجه من الثقب. وباستخدام كاميرا عالية السرعة قادرة على التقاط 5-0,000 صورة في الثانية، راقب الفريق ما حدث للتيار. بدون الصوت، قطع تيار الماء مسافة متوقعة قبل الانقطاع. وعند تشغيل الصوت، ظهرت تموجات مرئية على طول سطحه وانقسم إلى أجزاء في وقت أقصر بكثير، حيث قلص مسافة السفر أحياناً إلى النصف.

ومع ذلك، لم يكن سلوك الماء علاقة بسيطة من نوع "كلما زاد الصوت قل طول التيار". فقد وجد الباحثون أن الصوت يعمل بفعالية فقط بمجرد وصوله إلى قوة معينة، حيث يعمل مثل مفتاح يحول التيار إلى حالة جديدة. وتحت هذا الحد، كان للصوت تأثير ضئيل. وبمجرد أن يصبح الصوت قوياً بما يكفي، يقصر التيار بشكل كبير. ولكن إذا أصبح الصوت قوياً جداً، يبدأ تأثير التقصير في التلاشي، ويصبح التيار أطول قليلاً مرة أخرى. وهذا يشير إلى أن الصوت لا يقوم فقط بهز الماء؛ بل يحفز استجابة فيزيائية محددة لها حدود. كما اكتشف الفريق أن سرعة تدفق الماء كانت مهمة للغاية؛ فعندما كان الماء يتحرك ببطء، كان الصوت فعالاً جداً في تقصير التيار. ومع تدفق الماء بسرعة أكبر، يصبح الصوت أقل فعالية، ويتصرف التيار كما لو كان بدون أي صوت. يحدث هذا لأن الماء المتحرك بسرعة يقضي وقتاً أقل تحت تأثير الموجات الصوتية، مما يعطي التموجات وقتاً أقل لتكبر بما يكفي لكسر التيار.

وكان هناك جزء مفاجئ وحاسم في هذا الاكتشاف يتعلق بكيفية تفاعل السائل مع الفوهة نفسها. لاحظ الباحثون أنه عندما يكون الصوت يعمل، يميل الماء إلى الانتشار وطلاء قاعدة الفوهة، وهي ظاهرة تُعرف باسم "التبلل". ولاختبار ما إذا كان هذا التبلل مجرد أثر جانبي أو جزءاً رئيسياً من العملية، أجروا تجارب حيث أزالوا بعناية الطلاء المبلل وأخرى حيث أضافوا الماء عمداً إلى القاعدة. ووجدوا أن قاعدة الفوهة المبللة وحدها يمكن أن تقصر التيار، حتى بدون الصوت. وهذا يعني أن الصوت يساعد الماء على الانتشار، وهذا الانتشار بدوره يساعد الموجات الصوتية على نقل الطاقة إلى التيار بكفاءة أكبر. التأثير الإجمالي هو مزيج من الموجات الصوتية التي تضغط على سطح السائل، وانتشار السائل على الفوهة، والتموجات الناتجة التي تنمو حتى ينقطع التيار.

كما اختبر الفريق سوائل أكثر كثافة عن طريق خلط الماء مع "الجلسرين"، وهو مكون شائع في الشروبات والمراهم. تصرفت هذه السوائل الأكثر كثافة بشكل مختلف؛ فبدلاً من انتظار حد معين من الصوت ليبدأ، قصرت التيارات الأكثر كثافة فور تشغيل الصوت، حتى عند مستويات منخفضة. ويشير هذا إلى أن الفيزياء التي تحكم الانقسام تتغير اعتماداً على مدى كثافة أو "لزوجة" السائل. وبينما تطلب الماء دفعة محددة لبدء العملية، استجابت السوائل الأكثر كثافة للصوت بطريقة أكثر مباشرة وفورية. وبالرغم من هذه الاختلافات، نجح الصوت في تقصير طول الانقسام لجميع السوائل التي تم اختبارها، مما يثبت أن هذه الطريقة قوية عبر مجموعة متنوعة من أنواع السوائل.

أخيراً، نظر الباحثون في القطرات التي تتشكل بعد انقسام التيار. لقد تتبعوا أحجام القطرات المرئية التي تجاوزت خطاً افتراضياً في رؤية الكاميرا الخاصة بهم. ووجدوا أن الصوت يغير توزيع هذه القطرات، مما يخلق توزيعاً مختلفاً للأحجام مقارنة بالتيار غير المحفز. ومع ذلك، فقد كانوا حذرين في ملاحظة أن كاميراتهم لا يمكنها رؤية سوى القطرات الأكبر من حجم معين. ومن المرجح أن الصوت قد خلق رذاذاً ناعماً من القطرات الصغيرة غير المرئية أيضاً، لكنها كانت أصغر من أن يتم قياسها بأجهزتهم. ولم تتقلص القطرات المرئية ببساطة في خط مستقيم مع زيادة الصوت؛ بل إن نمط أحجام القطرات تغير بطرق معقدة، مما يشير إلى أن الصوت يغير عملية الانقسام بأكملها بدلاً من مجرد تصغير القطع النهائية.

يؤسس هذا العمل طريقة جديدة ومدمجة للتحكم في كيفية انقسام تيارات السائل باستخدام الصوت عالي التردد. ومن خلال دمج مصدر الصوت مباشرة في الفوهة، أنشأ الباحثون نظاماً صغيراً وفعالاً ويعمل على سوائل مختلفة دون الحاجة إلى خصائص كيميائية أو كهربائية خاصة. وتظهر النتائج أنه بينما يكون التأثير قوياً، فإنه حساس لسرعة التدفق، وكثافة السائل، وكيفية تبلل السائل للفوهة. وبالنسبة للصناعات التي تعتمد على تكوين الرذاذ الدقيق، من الطباعة إلى الطب، توفر هذه الطريقة أداة جديدة لضبط تيارات السائل بضبط أكبر، بشرط إدارة ظروف التدفق بشكل صحيح. لا تدعي الدراسة أنها حلت كل مشاكل تكوين الرذاذ، لكنها توفر طريقة واضحة وقابلة للتكرار لتقصير التيارات وفهماً جديداً لكيفية تفاعل الصوت والتبلل وسرعة السائل لتشكيل عالم قطرات السائل.