חלקיקים השוקעים בנוזל עשויים להאט בחדות, ואף לנוע לרגע כלפי מעלה כשהם עוברים בין שכבות בעלות צפיפות שונה. כך עולה ממחקר חדש, שנערך באוניברסיטת חיפה ובאוניברסיטת תל אביב, ופורסם בכתב העת Machine Learning: Science and Technology.
המחקר מציע משוואה מתמטית חדשה, המתארת את התנועה המפתיעה הזאת. המשוואה, שנוסחה בסיוע מערכת בינה מלאכותית, הצליחה לשחזר את האטת החלקיקים את התעכבותם באזור שבין השכבות ולעיתים גם את שינוי כיוון התנועה שלהם.
"החשיבות של המחקר אינה רק במשוואה שהתקבלה, אלא ביכולת לתאר באמצעות נוסחה אחת תופעה פיזיקלית מורכבת שמודלים קודמים התקשו להסביר. הבינה המלאכותית לא החליפה את החוקרים ולא גילתה לבדה חוק טבע חדש. היא סייעה לנו לחפש בתוך מסגרת שהוגדרה לפי נתוני הניסויים וחוקי הפיזיקה, ולהגיע למשוואה שאפשר להבין, לבחון ולשלב במודלים קיימים", אמר ד"ר טדי לזבניק מהחוג למערכות מידע באוניברסיטת חיפה ומהמחלקה למחשוב באוניברסיטת יונשופינג בשבדיה, ממחברי המחקר.
הבנת התנועה של חלקיקים, בנוזלים המורכבים משכבות בעלות צפיפות שונה, חשובה לחקר תהליכים טבעיים והנדסיים, ובהם: שקיעת משקעים באגמים ובשפכי נהרות, פיזור מזהמים, טיפול בשפכים והפרדת חומרים. בנוזל אחיד אפשר לתאר את שקיעתו של חלקיק באמצעות כוח הכבידה, כוח הציפה וההתנגדות שמפעיל עליו הנוזל.
התופעה נעשית מורכבת יותר כשהחלקיק עובר משכבה קלה לשכבה צפופה, משום שבאזור המעבר פועלים עליו כוחות נוספים שמשפיעים על מהירותו ולעיתים גם על כיוון תנועתו. מודלים קודמים התקשו לתאר באמצעות נוסחה אחת את כל שלבי התנועה. במחקר הנוכחי ביקשו ד"ר לזבניק מאוניברסיטת חיפה, פרופ' אלכס ליברזון, תלמיד מחקר חן מורטנפלד מהמעבדה לחקר מבנה המערבולות בבית הספר להנדסה מכנית באוניברסיטת תל אביב, למצוא ביטוי מתמטי מפורש לכוח שנוצר במעבר בין שכבות הנוזל ולבדוק אם הוא מתאר את תנועת החלקיקים טוב יותר מהמודל הקיים.
חלקיק (כדור מתכת מאוד קטן) שעובר בין 2 נוזלים (הצבעים הטיפה שונים ברקע)
החוקרים ניתחו 321 ניסויים, שבהם שקעו כדורים בודדים בקוטר של כעשרה מילימטרים במכל ובו שכבה עליונה קלה, שכבה תחתונה צפופה ואזור מעבר ביניהן. בחלק מהניסויים השתמשו בתמיסות של מים ומלח, ובאחרים בתמיסות של מים וגליצרול, שהן צמיגות יותר.
בעזרת מצלמות מהירות, שצילמו בקצב של עד 500 תמונות בשנייה, ותאורת לייזר - עקבו החוקרים אחר תנועת הכדורים בדיוק של אלפיות המילימטר. כך הם תיעדו את המסלול המלא של כל כדור וחישבו את השינויים במהירותו ובתאוצתו במהלך המעבר בין השכבות.
את הנתונים הם הזינו ל-SciMED, מערכת בינה מלאכותית שד"ר לזבניק הוביל את פיתוחה, המחפשת נוסחאות מתמטיות מפורשות המתאימות לנתוני הניסויים ולחוקי הפיזיקה. מבין הנוסחאות שהציעה המערכת בחרו החוקרים בזו שהתאימה לנתונים ושמרה על פשטות והיגיון פיזיקלי. לאחר מכן הם השוו אותה למודל הקיים, המתאר את הכוח הנוסף באמצעות משתנה מתמטי המכונה "מסה וירטואלית".
ד"ר טדי לזבניק
(צילום: טלי בקון)
ב-272 מהניסויים, כלומר 84.7 אחוזים מכלל המסלולים, האט הכדור לאחר שעבר בין השכבות ולאחר מכן חזר למהירות השקיעה שלו. המשוואה מראה שהכוח אינו פועל ברגע אחד, אלא מתפתח בהדרגה ולעיתים מתנודד, באופן שעשוי להסביר את שינוי כיוון התנועה של הכדור.
בהשוואה למודל הקיים, השיפור בלט במיוחד במסלולים שבהם נרשמו האטה ממושכת או שינוי בכיוון התנועה וכן בחיזוי משך שהייתם של הכדורים באזור המעבר. "היתרון במשוואה מפורשת הוא שאנחנו לא מקבלים רק תחזית, אלא יכולים לראות כיצד הכוח משתנה לאורך זמן ולהבין את מנגנון הפעולה באזור המעבר", הסביר פרופ' ליברזון. "אם המשוואה תאומת בתנאים נוספים, היא עשויה לשפר את חיזוי תנועתם והצטברותם של משקעים ומזהמים ולסייע בתהליכים כמו טיפול בשפכים והפרדת חומרים". החוקרים מדגישים כי המשוואה נבדקה בטווח מוגדר של כדורים ותנאי זרימה, ולכן עדיין אינה חוק כללי המתאים לכל מערכת.
