מדענים בריטים השתמשו בטכניקת דימות תלת-ממדי מתקדמת כדי לפענח תופעה פיזיקלית מורכבת שמכונה "אפקט אגוז ברזיל"

מכירים את זה שבחלק מדגני הבוקר הצימוקים והאגוזים מתעקשים להישאר למעלה ולא משתלבים עם שאר התערובת? מתברר שזאת לא קנוניה של יצרני הדגנים, אלא תופעה פיזיקלית מפתיעה בשם "אפקט אגוז ברזיל", ולעיתים "אפקט המוזלי". היא קרויה כך משום שכאשר מערבבים אגוזים מסוגים שונים, תמיד אגוזי ברזיל, שהם גדולים במיוחד, נוטים דווקא לעלות למעלה ולהיפרד מהאגוזים הקטנים מהם. תופעה דומה מתרחשת גם כשמערבבים חומרים גרגיריים אחרים בשלל גדלים, החל בחלק מסוגי האבקה וכלה בהתנגשויות של אסטרואידים.

האפקט הזה עלול להפריע לערבוב חומרים בפסי ייצור תעשייתיים, ולכן לפגוע באיכות המוצרים. עם זאת, נכון לעכשיו מדענים לא לגמרי מבינים מדוע המרכיבים נפרדים במקום להתערבב, ואיך אפשר לשנות את המצב.

קערה עם אגוזי ברזיל בראש הערימה | צילום: Ivan Kovbasniuk, Shuttestock
אגוזים בצמרת: קערה עם אגוזי ברזיל בראש הערימה | צילום: Ivan Kovbasniuk, Shuttestock

התופעה מתרחשת במהלך התנועה של חומר גרגירי המכיל חלקיקים שמאפייניהם שונים, למשל הצפיפות, הגודל או הצורה. כשמנענעים אותם, החלקיקים זזים, מתנגשים, דוחפים אלה את אלה ומתחככים. בנוסף נמצא שהתופעה מושפעת גם מגורמים כמו צורת המכל, לחץ האוויר בו וכוח המשיכה.

כדי להבין את התופעה המורכבת, מדענים צריכים לשלב תובנות ממה שידוע לנו על מאפייני תנועתם של נוזלים ומהתיאור הפיזיקלי של חלקיקים בדידים שמתנגשים. אחת הבעיות היא שקשה למדוד במדויק את התנועה של כל חלקיק, וחלק ניכר מהמחקרים בנושא מתבססים על מודלים ממוחשבים שמטבעם מושפעים מאוד מהנחות היסוד שלהם. בפועל, מודלים שמניחים שהחלקיקים כדוריים, או שמתבססים על הנחות מפשטות אחרות, לא מצליחים לנבא באופן אמין מספיק את המתרחש בתערובות גרגיריות, בניגוד לתנועה של נוזלים. כעת הצליחו חוקרים מבריטניה למדוד במדויק את אופן תנועתם של החלקיקים כשמרעידים אותם.

הפעם הראשונה שרואים איך האגוזים מטפסים. הדמייה של תנועת האגוזים בין הבוטנים על פי סריקות ה-CT: 

סי-טי לאגוזים

כדי לראות בדיוק איך האגוזים נעים כשמנענעים את הקופסה שלהם, החוקרים שילבו מעט אגוזי ברזיל עם הרבה בוטנים, והרעידו אותם. הם צילמו באמצעות קרני רנטגן סרטוני תלת-ממד של האגוזים הרועדים, בטכניקת צילום שנקראת טומוגרפיה ממוחשבת (CT), המוכרת יותר בזכות השימוש שעושים בה לדימות רפואי. כך יכלו לעקוב אחרי כל האגוזים בערימה, אפילו אם היו במרכזה. כדי להצליח לעקוב אחרי תנועת האגוזים השתמשו החוקרים בטכניקה של "צילום דוֹלֵג" (Time lapse) כך שהתערובת צולמה בסנכרון עם הרעידות שלה, בהפרשי זמן קבועים. לדברי החוקרים, "זו הפעם הראשונה שרואים איך אגוזי ברזיל עולים דרך בוטנים אל ראש הערימה".

החוקרים ראו שהבוטנים מילאו שוב ושוב את החלל שאגוזי הברזיל השאירו כשנעו כלפי מעלה. עוד נמצא שלפני שהאגוזים הגדולים החלו לעלות, הם היו צריכים לחוג מעט ממצבם האופקי ולהתכוונן כלפי מעלה, כלומר הציר הארוך שלהם התרומם מעט. אחרי שנטו מספיק כלפי מעלה, החלו אגוזי ברזיל לנוע לעבר חלקה הגבוה של התערובת, תוך שהם ממשיכים לנטות בצורה חדה יותר כלפי מעלה. משהגיעו לראש הערימה, האגוזים הגדולים נטו מחדש כלפי מטה עד ששבו למצב מאוזן.

לדברי החוקרים, כשהאגוז הגדול נטוי, הוא פחות מפריע לבוטנים הקטנים שמעליו לנוע למטה ולמלא את החללים סביבו, ופחות בוטנים צריכים לזוז כדי לפנות לו את הדרך. הבוטנים הנופלים גם פוגעים בדפנות האגוז הגדול ודוחפים אותו למעלה. כשהאגוז מגיע לראש הערימה הוא מתכוונן מחדש בהדרגה לתנוחה בעלת האנרגיה הנמוכה ביותר – זאת שבה מרכז הכובד שלו הוא הנמוך ביותר, ולכן נשכב במאוזן.

החוקרים הוסיפו, "המחקר מדגיש את חשיבות הצורה והכיוון של החלקיקים בתהליכי הפרדה. היכולת לעקוב אחר התנועה התלת-ממדית של החלקיקים פורצת את הדרך למדידות נוספות של התופעה, שיאפשרו לשפר את ההדמיות הממוחשבות שלה. על ידי כך אפשר יהיה לשפר את התכנון של ציוד תעשייתי בצורה שתיצור תערובות אחידות יותר. זה נושא משמעותי מאוד בתעשיות רבות, ולמשל יבטיח פיזור אחיד של החומרים הפעילים בתרופות".

 

6 תגובות

  • דוד

    ממש מתפעל

    וואו אני ממש מופתע מהמחקרים האלו אני כל היום מתעסק במשלוחי פירות ואגוזים ולא העליתי על דעתי מה שנאמר כאן, אני חושב שממש תרם לי הנושא הזה, תודה רבה, ממש מעריך את הכתבה האיכותית הזאת

  • אבי בן-משה

    זה די פשוט, ההסתברות למצוא

    זה די פשוט, ההסתברות למצוא חלקיק בתחתית הערימה, היא האינטגרל של המסלולים האפשריים שלו לתחתית הערימה, מספר המסלולים האפשריים של חלקיק לתחתית הערימה נשלט ע"י הצורה שלו, ספירה היא מינימיזציה של פני השטח של חומר כלשהוא, כך שספירות יגיעו לתחתית הערימה בהסתברות יותר גדולה. ככל שצורה רחוקה יותר מצורת ספירה ההסתברות שלה להופיע בתחתית הערימה נמוכה יותר.

  • אנונימי

    לא חדש

    ההסתברות שחלקיק יפול בעד הרווחים שבין החלקיקים האחרים תלויה בגודל היחסי שלהם. לכן הקטנים נופלים בין הגדולים, ובסופו של דבר כל הנפח מורכב מחלקיקים קטנים למטה וגדולים למעלה.

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןיובל רוזנברג

    זו תופעה מאוד מורכבת

    תודה על התגובה!
    מפתה לחשוב שניתן להסביר את התופעה בעזרת מנגנון פשוט כזה או אחר, אך מסתבר שהיא מאוד מורכבת ותלויה בהרבה מאוד גורמים. כך למשל, אם נשנה את הצורה של הכלי המכיל את החלקיקים, הגדולים מביניהם עשויים דווקא לרדת למטה, ולא לעלות למעלה.
    אנחנו עדיין לא מבינים לחלוטין את המנגנון שגורם להפרדת המרכיבים, גם לאחר מאמצים משמעותיים מצד הרבה מדענים רציניים ולאורך עשרות שנים (למרות שניסו להסביר את התופעה כבר בשנות החמישים, ולמרות החשיבות היישומית של הבנתה, עדיין חוקרים מדוע היא מתרחשת).
    ניתן לקרוא עוד בנושא ולראות סרטונים מגניבים דרך הקישורים בכתבה.

  • הפוך גוטה

    אני עם האנונימי, ונראה לי שגם אוקאם היה אוהב את הפתרון ה״פשוט״

    אין באמת סיבה להסתכל על התופעה כאילו החלקיקים הגדולים בתערובת עולים למעלה, אלא שהקטנים נופלים מטה, שהרי מספיק להם חריץ קטן בשביל לעבור דרכו. כל נענוע של הכלי מאפשר לכל מערך החלקיקים בכלי להסתדר מחדש, והגיוני שחלקיקים הקטנים יפלו ברווחים הקטנים שנוצרים, וכך בתנועתם הם דוחפים את הגדולים כלפי מעלה. תיאוריה זו כמובן לא סותרת שיש וההתנהגות תיהיה שונה אם התערובת נמצאת בכלי אחר או בתווך אחר. בקיצור, לדעתי צריך להתחיל מלחקור את תנועת החלקיקים הקטנים בתערובות, וזה כבר יסביר למה ואיך הגדולים נעים כלפי מעלה.

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןיובל רוזנברג

    זו נקודה חשובה, אבל היא לא מסבירה את התופעה

    תודה על התגובה!
    כאמור, מסתבר שזה לא כל כך פשוט. את/ה צודק/ת שחשוב מאוד להתיחס לתנועת החלקיקים הקטנים, ויש אפילו מקרים מסוימים שזה מספיק כדי להבין את התנועה המלאה (אם כי במקרים האלו המגנון שונה מזה שתיארת - יש דוגמאות לכך בסרטון שבקישור השני בכתבה). עם זאת, במקרים רבים, כמו זה שבמוקד הכתבה, התנועה של החלקיקים הגדולים והקטנים סביבם תלויה זו בזו.
    המאמר מראה למשל, שעד שאגוזי הברזיל הגדולים לא יסתובבו כלפי מעלה (בהשפעת הנענוע והבוטנים הקטנים), תהליך העלייה שלהם לא יתחיל, והבוטנים לא יוכלו לתפוס את מקומם ולהמשיך לדחוף אותם מעלה. בנוסף, חשוב להדגיש שאין כאן כדאיות אנרגטית לאגוז הברזיל לעלות למעלה (הוא לא בהכרח צפוף פחות מאשר הבוטנים, ולכן אין סיבה שהוא ישאף ״לצוף מעלה״ כמו שבועת אוויר צפה בנוזל). אותם הטיעונים שהעלית בדיוק יכולים ״להסביר״ גם תנועה כלפי מטה, בה החלקיקים הקטנים תופסים את המקום שמעל לאלו הגדולים, ולא מתחתיו. לכן הטיעונים הללו לא מסבירים את אופי התנועה, אלא רק עוזרים להבין שתנועה של חלקיק גדול ״דרך״ חלקיקים קטנים היא דבר אפשרי.
    המנגנון המדויק מאוד מורכב, מושפע מהמון גורמים, ועדיין לא ברור לחלוטין. לכן חשוב לפתח כלים חכמים למדידה וניתוח של תנועת הגרגרים, כמו שנעשה במאמר שבמוקד הכתבה, אשר בוחן את התנועה של כלל המרכיבים במערכת, כולל הבוטנים.