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".