با این که انسان حداقل 5000 سال است که می نویسد، به نحو شگفت آوری درک اندکی از فیزیک انتقال جوهر خودکار به کاغذ داریم. اکنون، فیزیکدانان در کره جنوبی و آمریکا روی نظریه ای کار می کنند که می گوید آهنگ جریان جوهر به زورآزمایی خواص مویینگی خودکار و کاغذ بستگی دارد.


تیم که توسط هو-یانگ کیم(Hu-Young Kim) از دانشگاه ملی سئول هدایت می شود دو سناریو را در نظر گرفت: لکه و خط. با ثابت نگا داشتن خودکار، پژوهشگران چهار عامل اساسی و اثرگذار بر جریان جوهر را تعیین نمودند: کشش مویینگی خودکار، کشش مویینگی تخلخل های کاغذ، کشش سطحی جوهر و گرانروی جوهر. در هنگان حرکت، سرعت خودکار عامل پنجم است.
نظریه گروه «خودکار کمینه» را به شکل یک لوله مویین ساده تعریف می کند که بی شباهت به نی های تو خالی به کار رفته توسط مصریان برای نوشتن بر پاپیروس نیست. پژوهشگران کاغذ را به صورت آرایه ای از استوانه ها تقریب می زنند. کاغذ زبر به شکل استوانه های اریک و نزدیک به هم مدل سازی می شود در حالی که استوانه های کوتاه تر، بزرگ تر برای تقریب زدن کاغذهای هموارتر به کار می روند. در حالی که کاغذ در واقع آرایه بسیار پیچیده ای از فیبرهای سلولزی است، گروه استدلال می کند که چنین آرایه ای سیال را با همان سازوکاری می مکد که کاغذ جوهر خودکار را دریافت می کند.
توان کششی
کاواک های کوچکتر در کاغذ نسبت به لوله های بزرگ تر خودکار، کشش مویین بیشتری دارند اما تخلخل های بسیار ریز نیز جریان جوهر را محدود می کنند. تا زمان که تخلخل های ماده بزرگ تر از بازشدگی خودکار کمینه نیستند، موارد زبرتر جوهر را سریع تر می کشند. این امر توضیح می دهد که چرا نوشتن روی شیشه با خودکار بسیار دشوار است- بدون وجود تخلخل، سطح نمی تواند جوهر را جرب کند. بر عکس، خودکارهای پهن تر نیروی مویین کمتری دارند و بنابراین جوهر را آسان تر متوقف می کنند. همانند جوهر، کشش سطحی بالاتر اجازه می دهد تا کاغذ یا آرایه ستون ها را به طور موثری مرطوب سازد، در حالی که گرانروی بیشتر حرکتش را کند می کند. گروه این روابط را به علاوه زمانی که خودکار در تماس با کاغذ می گذراند، در قوانین مقیاس ریخت.
گروه کیم مدل را با ساخت خودکار و کاغذی ایده آل در آزمایشگاه تایید کرد. پژوهشگران ویفرهای سیلیکونی را در الگویی از ستون هایی با قطر، ارتفاع و فاصله 10-20 میکرومتر قلم زدند. لوله های مویین شیشه ای با قطر 0.5-1 میلی متر به عنوان خودکار استفاده شدند که با محلول گلیسیرین با غلظت های مختلف پر شده بودند. گروه گسترش لکه های جوهر و کشیدن خطوط را فیلمبرداری کرد و داده هایی را یافت که با مدل منطبق بود.
بعد از هزاران سال نگارش، ممکن است گمان کنید که هیچ نتیجه غیرقابل پیش بینی وجود ندارد اما کیم می گوید که شکل جوهر در مقابل خودکار متحرک شگفت انگیز بود. «ما نشان دادیم که شکل واقعی دقیقا سهمی است- زیبا و ساده اما هیچ کس آن را پیش بینی نکرده بود.» دلیل سهموی این است که تخلل های روبروی خودکار متحرک توده جوهر را می مکند در حالی که تخلل های پشت آن در ظرفیت کامل قرار دارند.
محققان برای آزمودن قوانین مقیاسی خود با کاغذ و خودکار واقعی، خودکاری با نوک 0.1میلی متر را به مدت 2 ثانیه در مقابل کاغذ معمولی قرار دادند. آن ها شعاع لکه را 3 میلی متر پیش بینی کردند و انتظار داشتند که خطی با ضخامت 0.82 میلی متر توسط این خودکار با سرعت 5 میلی متر بر ثانیه ایجاد شود. ضخامت واقعی کاملا نزدیک بود، 0.7 میلی متر، اما لکه تقریبا نصف مقدار پیش بینی یعنی 1.3 میلی متر بود. گروه تفاوت را ناشی از برجستگی های کاغذ می داند. بر خلاف سیلیکون صلب، فیبرهای سلولزی هنگام آشامیدن سیال تغییر شکل می یابند و اندازه تخلل بزرگ می شود.
لاورنت کوربین(Laurent Courbin) از دانشگاه رنز(University of Rennes) فرانسه مطالعه را جالب و قلب فیزیک می داند: «هدف یک فیزیکدان تعیین مسایل جالبی است که تاکنون حل نشده و قابل فهم کردن مسایل با استفاده از ساده ترین مدل های نظری ممکن است. هنگامی که پدیده های فیزیکی را که در زندگی روزمره تجربه می کنیم، بررسی کنیم، کار ما اجر بیشتری دارد.»
اگرچه گروه مستقیما نیازی محافظ های جیبی را شبیه سازی نکرد، کیم می گوید که «لکه جوهر روی لباس ها مثال های بسیار خوبی از لکه های جوهری است که ما با آن ها کار کردیم.» در نهایت، این اثباتی مناسب برای استفاده از پوشش پلاستیکی سر خودکار است!
این پژوهش در Physical Review Letters چاپ خواهد شد.
منبع
Physics of writing is derived at last
Nov 22, 2011, physicsworld.com
انجمن فیزیک ایران