مع ازدياد برودة الطقس هذا الشتاء نحتاج إلى ارتداء السترات الشتوية، قد تكون واحدًا من بين العديد الذين يفضلون ارتداءها.
أفضل السترات الشتوية
لا تقتصر فائدة هذه الطبقة الإضافية على تدفئتك في الأيام الباردة فحسب. بل إن السترات الشتوية الحديثة تعدّ أيضًا دليلًا على فيزياء عريقة وعلوم مواد متطورة.
حيث تحافظ السترات الشتوية على دفئك من خلال إدارة الحرارة عبر الطرق الكلاسيكية الثلاث لنقل الحرارة. وأيضًا التوصيل والحمل الحراري والإشعاع، مع الحفاظ على التهوية حتى يتمكن العرق من التبخر.
لقد كانت الفيزياء موجودة منذ قرون، ومع ذلك فإن الابتكارات المادية الحديثة تمثل قفزة نوعية سمحت لتلك المبادئ بالتألق.
علم الفيزياء القديم ببريق من جديد
ينظر الفيزيائيون، مثلنا، الذين يدرسون انتقال الحرارة، أحيانًا إلى علم الحرارة على أنه “مستقر”.
إذ وصف إسحاق نيوتن لأول مرة التبريد بالحمل الحراري، وهو فقدان الحرارة الناتج عن حركة السوائل التي تجرف الطاقة الحرارية بعيدًا عن السطح.
لكن في أوائل القرن الثامن عشر. ثم وضعت نظرية جوزيف فورييه التحليلية للحرارة عام 1822 التوصيل الحراري، أي انتقال الطاقة الحرارية من خلال التلامس الفيزيائي المباشر على أسس رياضية.
لقد جعلت أعمال جوزيف ستيفان ولودفيج بولتزمان في أواخر القرن التاسع عشر. والتي تلتها أعمال ماكس بلانك في فجر القرن العشرين:
الإشعاع الحراري، انتقال الحرارة عبر الموجات الكهرومغناطيسية، ركيزة أساسية للفيزياء الحديثة .
في الوقت نفسه تشكّل هذه المبادئ جميعها أساس تصميم المواد الحديثة. ومع ذلك، فإنّ الجديد اليوم ليس المعادلات، بل المنسوجات. فعلى مدى العقدين الماضيين.
فقد طوّر المهندسون أليافًا اصطناعية فائقة الرقة تحبس الحرارة بكفاءة أعلى، ومعالجات تجعل الزغب الطبيعي طاردًا للماء بدلًا من امتصاصه.
كما صمّموا أغشيةً تسمح بمرور الهواء مليئة بمسامات دقيقة تسمح بتبخر العرق، وطبقات عاكسة رقيقة تعكس حرارة الجسم نحوك. بالإضافة إلى طلاءات تخزن الحرارة وتطلقها مع تغيّر درجة الحرارة، ومواد فائقة الخفة.
تمنح هذه الابتكارات مجتمعةً المصممين تحكمًا أكبر بكثير في الدفء والتهوية والراحة أكثر من أي وقت مضى. ولهذا السبب، تبدو السترات الآن أكثر دفئًا وخفة وجفافًا مما كان يتخيله نيوتن أو فورييه.
ما التوصيل الحراري؟
التوصيل الحراري هو انتقال الحرارة مباشرةً من جسمك الدافئ إلى محيطك البارد. في الشتاء، تشعر بالبرد نتيجةً لتسرب الحرارة من جسمك .
تعمل مواد العزل على مقاومة التوصيل الحراري عن طريق حبس الهواء في شبكة من الجيوب الصغيرة. مما يبطئ تسرب الحرارة. كما أنها تحافظ على سكون الهواء وتطيل المسافة التي تقطعها الحرارة للخروج.
يُشكّل الزغب عالي الكثافة عناقيد الريش الواسعة والناعمة التي تضفي الحجم على السترة المنتفخة.
وعند دمجه مع الألياف الاصطناعية الحديثة، يحبس الزغب الهواء الدافئ ويبطئ تسربه.
علاوة على أن أنواعًا جديدة من الأقمشة المُشبعة بمواد فائقة المسامية وخفيفة الوزن تُسمى الأيروجيلات، توفّر عزلًا حراريًا أكبر في طبقات رقيقة بشكلٍ مُدهش.
السترات الشتوية الحديثة
يجب أن تتمتع السترة الشتوية الجيدة بقدرة على مقاومة الرياح، التي قد تزيل طبقة الهواء الدافئ الرقيقة التي تتشكل بشكل طبيعي حول الجسم.
على سيبل المثال تعمل السترة ذات الغلاف الخارجي الجيد على منع تأثير الرياح بفضل نسيجها المحبوك بإحكام والذي يحافظ على الدفء.
بينما تحتوي بعض السترات على طبقة خارجية مصفّحة تمنع تسرب الماء والهواء البارد، ونمط منسوج يغلق أي منافذ قد يتسرب منها الدفء حول الأساور والحواف والقلابات والياقات.
الطبقة الخارجية في العديد من سترات الجسم مقاومة للماء وتسمح بمرور الهواء.
فهي تمنع دخول المطر والثلج، كما تسمح بتبخر العرق . هذه الميزة أساسية لأن العزل، كالريش، يفقد فعاليته عند البلل، إذ يفقد كثافته ولا يستطيع حبس الهواء، مما يعني تبريد الجسم بسرعة.
إلى جانب أن هذه الأغطية تعمل على حجب الرياح، مما يحمي طبقة الهواء الدافئ التي ينتجها جسمك. وبمنعها للرياح والماء، تهيئ الغطاء بيئة هادئة وجافة للعزل ليؤدي وظيفته ويُبقيك دافئًا.
السترات الشتوية وحرارة الأشعة تحت الحمراء
حتى في الهواء الساكن، يفقد جسمك الحرارة عن طريق إطلاق موجات غير مرئية من الطاقة الحرارية.
تعالج السترات الحديثة هذه المشكلة باستخدام أنواع جديدة من الأقمشة والتقنيات التي تجعل السطح الداخلي للسترة يعكس حرارة جسمك نحوك.
فيما يتميز هذا النوع من الأسطح بتأثير يشبه بطانية الفضاء، مما يضيف دفئًا ملحوظًا دون زيادة في الحجم.
لكن طريقة تطبيق مصنعي السترات للمادة العاكسة مهمة. فتغطية كامل المادة بطبقة معدنية ستعكس الكثير من الحرارة، لكنها لن تسمح للعرق بالتبخر، مما قد يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة الجسم.
تستخدم بعض البطانات نمطًا من النقاط الدقيقة، تعكس النقاط العاكسة الحرارة للخلف بينما تحافظ الفجوات بينها على تهوية المادة وتسمح للعرق بالخروج.
ثمة نهج آخر ينقل هذه التقنية إلى السطح الخارجي للملابس. وتضيف بعض التصاميم نمطًا من مادة عاكسة إلى الغلاف الخارجي لمنع تسرب الحرارة إلى الهواء البارد.
عندما تكون تلك النقاط الخارجية داكنة اللون، فإنها تمتص أيضًا القليل من حرارة الشمس. يشبه هذا التأثير طلاء النوافذ الذي يحافظ على الحرارة في الداخل مع الاستفادة من ضوء الشمس لزيادة الحرارة.
لا تجدي الدفء نفعًا إلا إذا بقيت جافًا. فالعرق الذي لا يستطيع التبخر يبلل طبقة العزل في السترة ويسرّع فقدان الحرارة.
ولذلك، تجمع أفضل أنظمة الملابس الشتوية بين الأقمشة الداخلية الماصة للرطوبة وخيارات التهوية والأغشية التي تسمح مسامها بخروج بخار الماء مع منع دخول الماء السائل.
لا يزال تحديد مسار انتقال الحرارة عبر المنسوجات يمثل تحديًا، لأن الحرارة، على عكس الضوء أو الكهرباء، تنتشر عبر كل شيء تقريبًا.
لكن أنواعًا جديدة من المواد والأسطح الفريدة ذات الأنماط فائقة الدقة تمكّن العلماء من التحكم بشكل أفضل في كيفية انتقال الحرارة عبر المنسوجات.
توزيع الدفء في الملابس
تعد إدارة الدفء في الملابس جزءًا من تحدٍّ أوسع نطاقًا في مجال إدارة الحرارة في الهندسة. يشمل الرقائق الإلكترونية ومراكز البيانات والمركبات الفضائية وأنظمة دعم الحياة.
ولا يزال من غير الممكن إيجاد سترة شتوية مثالية تناسب جميع الظروف؛ فمعظم الملابس غير متكيفة مع بيئتها، أي أنها لا تتكيف معها. نختار ملابسنا بناءً على ما نتوقع أن نواجهه في ذلك اليوم.
لكن بعض الباحثين في مجال الهندسة يعملون على تطوير أقمشة تتكيف مع البيئة . تخيل أقمشة تفتح فتحات مجهرية مع ارتفاع الرطوبة.
ثم تغلقها مجددًا في الهواء الجاف والبارد. تخيل بطانات تعكس حرارة أكبر تحت أشعة الشمس الحارقة وحرارة أقل في الظلام.
أو أقمشة تنتفخ عندما تكون في الخارج في البرد وتسترخي عندما تدخل إلى الداخل. إنها أشبه بزيّ خيال علمي أصبح عمليًا، ملابس تستشعر وتتخذ قراراتها وتعيد تشكيل نفسها بمهارة دون أن تلمس سحابًا واحدًا.
وأخيرًا لا تحتاج السترات الحالية إلى قانون جديد للديناميكا الحرارية لكي تعمل فهي تجمع بين الفيزياء الأساسية. واستخدام مواد مصممة بدقة وأقمشة حرارية مصممة خصيصًا للاحتفاظ بالحرارة. هذا المزيج هو السبب في أن ملابس الشتاء الحالية تبدو وكأنها قفزة إلى الأمام.
المصدر: .pbs.org