المطب الجوي: أحد أبرز ألغاز الفيزياء غير المحسومة - توماس شور

شاهد الدرس كاملاً: https://ed.ted.com/lessons/turbulence-one-of-the-great-unsolved-mysteries-of-physics-tomas-chor

بينما أنت على متن طائرة، تشعر بارتجاجٍ مفاجئ. ومع أنك لا ترى أي شيء خارج نافذتك إلا أن الطائرة تستمر بالاهتزاز بك وببقية المسافرين بينما تمر عبر مطب هوائيّ في الجو. لكن ما هو المطب الجوي تحديداً؟ وما الذي يسببه؟ يغوص توماس شور في أحد أكثر الألغاز شيوعاً في عالم الفيزياء إلا وهي ظاهرة المطب الجوي المعقدة.

تقديم: توماس شور ،إخراج: بيلجانا لابوفيتش

تخيّل أنّك على متن طائرة،
وفجأةً تشعر باهتزاز.

ومع ذلك عندما تنظر خارج النافذة
لا ترى أي شيء يحدث،

لكنّ الطائرة ما زالت تهتزّ بك
وببقية المسافرين

لأنها تمرّ عبر مطبٍ هوائيٍّ في الجو.

رغم أن سماعها لا يشعرك بالطمأنينة،

لكنّ هذه الظّاهرة تعدُّ من أكثر
ألغاز الفيزياء شيوعاً.

فبعد دراسة المطبّات الجويّة لأكثر من قرن،

توصلنا إلى بعض الإجابات حول آليّة عملها

وكيف تؤثّر على العالم من حولنا.

مع أنّ هذه الاضطرابات هي أمرٌ شائع،

فهي تظهر في أي نظامٍ يحوي
موائع متحرّكة.

ويشمل ذلك تدفق الهواء في جهازك التّنفسيّ،

وتدفّق الدّم في أوعيتك الدّمويّة،

والقهوة التي تحرّكها في الفنجان.

حتى الغيوم تخضع للاضطرابات،

وكذلك الأمواج التي تنكسر على الشّاطئ
وعواصف البلازما في شمسنا.

إنّ استيعاب آليّة عمل هذه الظّاهرة

سينعكس على جوانب عديدة في حياتنا.

إليك ما نعرفه حتى الآن،

لدى الغازات والسّوائل نوعان
من الحركة عادةً:

الجريان الصّفيحيّ ويتميّز
بالاستقرار والسلاسة،

والجريان المضطرب والذي يتشكّل
من دواماتٍ عشوائيّة لحد ما.

تخيّل عوداً من البخّور،

الجربان الصّفائحيّ للدخان الأملس في الأسفل
يكون منتظماً وسهل التّنبأ،

لكن كلما اتّجهنا نحو الأعلى،

يبدأ الدّخان في التّسارع ويفقد استقراره،

ويصبح نمط الحركة أشبه بالفوضى.

هذا كان مثالاً عمليّاً عن المطبّ الهوائيّ،

وتشترك الجريانات المضطربة عموماً
بخصائص معيّنة.

أولاً: الاضطراب يكون دوماً فوضويّاً.

وهذا أمرٌ مختلفٌ عن العشوائيّة.

لكن يعني عوضاً عن ذلك بأن الاضطراب
حسّاسٌ جداً لأيّ تدخّل.

دفعةٌ صغيرةٌ من أيّ اتجاهٍ كان

ستغيّر النّاتج النّهائيّ تماماً.

وهو ما يجعل التّنبأ بما سيحدث مستحيلاً،

حتى لو توافرت لدينا معلوماتٌ كثيرةٌ
عن الوضع الحاليّ للنظام.

سمة أخرى هامة عن الاضطراب

هي اختلاف مقاييس الحركة
التي تظهرها هذه التّيارات.

لدى التدفقات المضطربة العديد من الالتفافات
من مختلف الأحجام ويطلق عليها الدّوامات،

وهي دوّاماتٌ من مختلف الأشكال والأحجام.

وجميع هذه الدّوّامات ذات الأحجام المتنوعة
تتفاعل مع بعضها البعض،

وتتفكّك لتصبح أصغر فأصغر

إلى أن تتحول الحركة بأكملها
إلى طاقةٍ حراريّةٍ،

في عمليّة تسمى "سلسلة الطّاقة".

وبهذا نستطيع تمييز الاضطراب،

لكن ما الذي يؤدّي لحدوثه؟

لكلّ سائلٍ متحرّكٍ أو غازٍ
هناك طاقتان متعاكستان:

القصور الذاتي والّلزوجة.

القصور الذاتي هو قابليّة السوائل
للاستمرار بالحركة،

وهي ما يسبّب عدم الاستقرار.

أما الّلزوجة فهي تعاكس التّفكّك

دافعةً التّيار ليكون صفيّحيّاً.

في السّوائل الكثيفة كالعسل مثلاً،

تكون الكفّة دائماً من نصيب الّلزوجة.

أما في المواد الأقل لزوجةً كالماء والهواء
فهي تميل أكثر للعطالة،

وهو ما يعزّز الاختلال والذي يتطوّر بدوره
إلى اضطراب.

نقوم بحساب موقع الجريان
في سلسلة الطّاقة

باستخدام شيء يدعى "رقم رينولد"،

وهي النّسبة بين عطالة الجريان ولزوجته.

كلما ارتفع رقم رينولد،

كلّما زاد احتمال حدوث الاضطراب.

فمثلاً صبّ العسل في كأس

تصل قيمة رينولد الخاصّة به ل1 تقريباً.

وبالمقابل فإن العيّنة نفسها من الماء
تتمتّع بقيمة رينولد تصل إلى 10,000.

تساعد قيمة رينولد على فهم
السّيناريوهات البسيطة،

لكنّها للأسف غير فعالة في العديد
من الحالات.

على سبيل المثال فإنّ حركة الجو
تتأثّر بشدّةٍ

بعوامل كالجاذبيّة ودوران الأرض.

أو أشياء أبسط نوعاً ما كالاحتكاك بأسطح
الأبنية والسّيّارات.

وبفضل الأدلّة والتّجارب العمليّة
أصبح بإمكاننا نمذجة هذه الحوادث.

لكن يسعى علماء الفيزياء للتّنبأ بها
باستخدام قوانين ومعادلاتٍ فيزيائيّة

تماماً كما نقوم بنمذجة مدارات الكواكب
أو المجالات الكهرومغناطيسيّة.

يعتقد معظم العلماء أننا سنحقّق هذا
بالاعتماد على الإحصائيّات

والقدرات الحاسوبيّة المتزايدة.

حيث يمكن لعمليّات محاكاةٍ الكمبيوتر
فائقة السرعة للجريان المضطرب

أن تساعدنا في التّعرف على أنماط
يمكن أن تقود لنظريّة

والتي ستجمع وتنظّم توقعاتنا
في مختلف الحالات.

بينما يعتقد علماءٌ آخرون أن الظّاهرة
معقّدةٌ جداً

مما يجعل وجود نظريّةٍ واحدةٍ متكاملة كهذه
أمراً مستحيلاً.

لكنّنا نأمل أن نصل إلى اكتشافٍ جديدٍ،

ﻷن الفهم التّام للاضطرابات سيكون له
تأثيرٌٌ إيجابيٌّ عظيم.

وهذا يشمل مزارع رياحٍ أكثر كفاءةً،

والقدرة على الاستعداد بشكلٍ أفضل
للكوارث الجويّة،

أو حتى القدرة على التّلاعب بالأعاصير
وتجنّبها.

وبالطبع رحلات أكثر سلاسةً لملايين
المسافرين جوّاً.

(صوت أزيز)