چرا شعله آتش به سمت بالا حرکت می‌کند؟

مقدمه: موجز و متمرکز شعله آتش، نمایشی بصری از یک واکنش شیمیایی است، اما شکل عمودی و کشیده آن در زندگی روزمره، یک توهم فیزیکی ناشی از محیط سیاره‌ای ماست. این پدیده نه صرفا یک ویژگی ذاتی احتراق، بلکه نتیجه مستقیم دو قانون اساسی طبیعت است: انبساط حرارتی گازها ناشی از احتراق و نیروی شناوری که توسط میدان گرانشی زمین ایجاد می‌شود. درک این امر نیازمند درک این است که چگونه گازهای داغ سبک‌تر، در برابر گازهای سردتر سنگین‌تر، در گرانش به سمت بالا رانده می‌شوند؛ پدیده‌ای که در فضا به کلی ناپدید می‌شود.

۱. مرحله تولید حرارت و انبساط گاز (ترموشیمی) احتراق یک فرآیند شیمیایی گرمازا است که در آن سوخت با اکسیدکننده (معمولاً اکسیژن) واکنش داده و انرژی زیادی آزاد می‌کند. این انرژی بلافاصله دمای گازهای محصولات احتراق ( مانند CO2​ و H2​O ) را به شدت افزایش می‌دهد. بر اساس قانون گاز ایده‌آل ( PV=nRT ) یا به طور معادل، رابطه چگالی( ρ∝P/T )، افزایش شدید دما (T) در فشار تقریباً ثابت (P)، منجر به کاهش چشمگیر چگالی (ρ) گازهای داغ نسبت به هوای سرد اطراف می‌شود. این کاهش چگالی، پیش‌شرط اصلی برای حرکت رو به بالای شعله است.

۲. مکانیسم محرک: نیروی شناوری و گرانش پس از ایجاد تفاوت چگالی، نیروی محرک اصلی وارد عمل می‌شود: نیروی شناوری (Buoyancy Force). طبق اصل ارشمیدس، هر جسمی که در یک سیال (گاز یا مایع) غوطه‌ور باشد، نیرویی معادل وزن سیال جابجا شده توسط آن جسم (یا در اینجا حجم گاز) به سمت بالا دریافت می‌کند. این نیرو مستقیماً متناسب با نیروی گرانش(g) است. از آنجایی که گازهای داغ چگالی کمتری نسبت به هوای سرد اطراف دارند، نیروی شناوری اعمال شده بر آن‌ها، از نیروی وزن خودشان بزرگ‌تر است، و این اختلاف، باعث می‌شود که این توده گاز به سمت بالا رانده شود.

۳. نتیجه مکانیکی: جریان همرفتی (Convection) حرکت رو به بالای ناشی از شناوری، یک پدیده ایستا نیست؛ بلکه یک فرآیند دینامیک را ایجاد می‌کند که به آن همرفت آزاد (Free Convection) می‌گویند. هنگامی که گاز داغ به بالا می‌رود، فضایی را خالی می‌کند که توسط هوای سردتر و غلیظ‌تر اطراف به سرعت پر می‌شود. این هوای سرد به سمت پایین و به سمت پایه شعله جریان می‌یابد تا جایگزین گاز داغ شود و سوخت (اکسیژن) لازم برای ادامه واکنش احتراق را فراهم کند. این چرخه مداوم، یک جریان همرفتی پایدار و رو به بالا را شکل می‌دهد که ما آن را به صورت شکل عمودی شعله مشاهده می‌کنیم.

۴. شواهد تجربی: نقش محوری آزمایش‌های فضایی برای اثبات نقش حیاتی گرانش، دانشمندان به محیطی بدون گرانش یا با گرانش بسیار کم روی آورده‌اند. تحقیقات گسترده‌ای در دهه ۱۹۹۰ و به ویژه در دهه ۲۰۰۰ بر روی ایستگاه فضایی بین‌المللی (ISS) انجام شد. در شرایط میکروگرانشی، نیروی شناوری ناشی از تفاوت چگالی دیگر عمل نمی‌کند، زیرا نیروی g عملاً صفر است. نتیجه شگفت‌انگیز این بود که شعله‌ها به جای حرکت عمودی، تمایل پیدا کردند که به شکل کُروی یا کروی متقارن باقی بمانند، زیرا محصولات احتراق به جای دور شدن، به آرامی در اطراف مرکز شعله تجمع می‌یابند تا زمانی که خنک شده یا سوخت تمام شود. این مشاهدات، تأکید قطعی بر این است که حرکت رو به بالا یک اثر گرانشی است.

۵. استثناها و تأثیرات جانبی اگرچه همرفت آزاد مکانیسم غالب است، عواملی می‌توانند شکل شعله را تغییر دهند. سوخت‌هایی که به دمای بسیار بالاتری می‌رسند یا دارای محصولات احتراق بسیار سبک‌تری هستند، ممکن است کشیدگی بیشتری داشته باشند. همچنین، وجود جابجایی اجباری (Forced Convection)، مانند وزش باد یا استفاده از فن، که جریان هوا را به زور و تحت تأثیر عوامل خارجی به شعله تحمیل می‌کند، می‌تواند بر شکل‌گیری طبیعی همرفت غلبه کرده و شعله را به جهتی منحرف سازد.