נגד הזרם

מאת: יעל הלפמן כהן

"הידרודינאמיקה הוא תחום מפתיע בפיסיקה" אומר ד"ר עדו לוין, פיסיקאי שעושה בימים אלו פוסט דוקטורט באוניברסיטת וושינגטון שבארה"ב.

"למה מפתיע?" – כי ההתנהגות בזרימה לא תמיד קלה לחיזוי, ופיסיקאים אוהבים לחזות.

צד מפתיע אך גם מבטיח התגלה במעיים של כריש.

באחד הימים, הציגה פרופ' שרה קלר, החוקרת הראשית במעבדה בה עדו עובד, מחקר מעניין על כרישים. במחקר, ביולוגים הדגימו זרימה אסימטרית במעיים של כרישים. כאשר הזרימו נוזל צמיג במעיים שנלקחו מכריש מת, הייתה לו מהירות מסויימת, אך בכיוון השני, המהירות הייתה איטית בהרבה. לשם השוואה – אם ניקח צינור קשיח ונזרים בתוכו דבש (נוזל צמיג), ואז נהפוך את הצינור, הדבש יזרום באותה מהירות, ולכן התופעה שתוארה במעיים של הכריש מפליאה בהיבט פיסיקלי.

זוהי דוגמא לאסימטריה בזרימה. בכיוון אחד יש יותר התנגדות לזרימה מאשר בכיוון השני. הזרימה למעשה אנלוגית לזרם חשמלי, ההתנגדות של הצינור אנלוגית לנגד. כאשר יחס ההתנגדות בשני הכיוונים שונה, יש אסימטריה.

היתרון לכריש ברור. אם למזון קל לנוע במורד המעיים, וקשה לו יותר לנוע בכיוון הנגדי, נדרשת פחות תנועה פריסטלטית (פעולת השרירים) לדחיפת המזון. זוהי דוגמא יפה נוספת לפעילות של הטבע בנתיב המאמץ המזערי.

הסקרנות המדעית של עדו התעוררה, וגם הזדמנות לייצר שת"פ עם המעבדה של פרופ' אל נלסון באוניברסיטה, שמתמחה בפיתוח שיטות מתקדמות להדפסת תלת הממד. עדו ושותפיו למחקר הניחו שהסיבה לאסימטריה שהתגלתה היא הגמישות של הצינורות במעיים והחליטו להדפיס צינורות במבנה דומה לצינורות המעיים: צינור עגול חיצוני, עם ממברנה ספירלית גמישה בפנים. הפרמטרים של המודל הבסיסי נלקחו מהמעיים של הכריש, ואז התחילו לשנות פרמטרים אלו, כל פעם פרמטר אחר, במטרה לבחון איך פרמטרים שונים בגיאומטריה משפיעים על האסימטריה.

עדו משתף שהיה בתחילה סקפטי מאוד, אבל להפתעתו ולשמחתו הצליחו לשחזר את אפקט האסימטריה שנצפתה במעיים של הכריש, הפעם במעבדה. יחסית למבנים ידועים אחרים המייצרים אסימטריה (הידועים בשם "שסתום טסלה" או Tesla valve), האסימטריה שנמצאה גדולה מאוד ועומדת על פי 15, כלומר שהתנגדות לזרימה בצד אחד גבוהה פי 15 יחסית להתנגדות לזרימה בכיוון השני. בהמשך מתכננים צוות החוקרים לחזור על הניסוי, והפעם להשתמש בחומרים רכים יותר למשל הידרו ג'ל, בתקווה למצוא אפקט אסימטרי אף גדול יותר.

מעבר לתרומה למדע הטהור, יתכנו כמובן יישומים. כמו באפקטים אחרים שנמצאו בטבע, אפקט הלוטוס, אפקט עור הכריש, אפקט האצטרובל, גם כאן זוהה אפקט בסיסי שיתכנו לו יישומים רבים.

למעשה בכל מקום בו יש צורך במניעה של זרימה נגדית, למשל בעולם הרפואי (מניעת צרבות, הפרעות בזרימת דם ועוד) ניתן לחשוב על יישום. האתגר יכול להיות בשינוי קנה המידה (קטן בהרבה ממעיים של כריש) ובמציאת חומר ביוקומפטבילי.

הצוות פתוח לרעיונות נוספים. יש לכם?

הכתבה נכתבה בעקבות ראיון עם ד"ר עדו לוין.

קרדיט תמונה:  שרה קלר