Το «φαινόμενο της τσαγιέρας» απειλεί τα πεντακάθαρα λευκά τραπεζομάντιλα εδώ και αιώνες: Όταν το υγρό χύνεται από μια τσαγιέρα πολύ αργά, τότε η ροή του υγρού μερικές φορές δεν αποσπάται από την τσαγιέρα, (για να βρει το δρόμο της στο φλιτζάνι) αλλά στάζει κάτω, έξω από την τσαγιέρα, όσες προσπάθειες και αν κάνουμε για να το αποτρέψουμε…
Η “ντρίμπλα” του τσαγιού στο πλάι μιας τσαγιέρας κατά την έκχυση αποτελεί ενόχληση εδώ και αιώνες για τους τακτικούς πότες τσαγιού. Αλλά για τους φυσικούς σε όλο τον κόσμο, έχει δημιουργήσει ένα περίπλοκο θεωρητικό πρόβλημα που μελετάται εδώ και δεκαετίες!!!! Τώρα μια ερευνητική ομάδα στο TU Wien πέτυχε να περιγράψει το «φαινόμενο της τσαγιέρας» πλήρως και λεπτομερώς με μια περίπλοκη θεωρητική ανάλυση και πολλά πειράματα: Μια αλληλεπίδραση διαφορετικών δυνάμεων κρατά μια μικρή ποσότητα υγρού απευθείας στην άκρη, και αυτό είναι αρκετό για να ανακατευθύνει τη ροή του υγρού υπό ορισμένες συνθήκες.
Ένα φαινόμενο με μακρά ιστορία
Το «φαινόμενο της τσαγιέρας» περιγράφηκε για πρώτη φορά από τον Markus Reiner το 1956. Ο Reiner απέκτησε το διδακτορικό του στο TU Wien το 1913 και στη συνέχεια μετανάστευσε στις ΗΠΑ, όπου έγινε σημαντικός πρωτοπόρος της ρεολογίας ( η επιστήμη της συμπεριφοράς ροής). Πολλές φορές οι επιστήμονες που ασχολούνται με τη ρεολογία, προσπάθησαν να εξηγήσουν με ακρίβεια αυτό το φαινόμενο. Η εργασία πάνω σε αυτό το θέμα τιμήθηκε με το σατιρικό “IG Nobel Prize” το 1999. Τώρα, η έρευνα για το φαινόμενο της τσαγιέρας έχει κάνει τον κύκλο της, καθώς μελετήθηκε στο alma mater του Reiner, το TU Wien, από μια ομάδα γύρω από τον Dr. Bernhard Scheichl, λέκτορας στο Institute of Fluid Mechanics and Heat Transfer και Key Scientist στο Austrian Centre of Excellence for Tribology (AC2T research GmbH), σε συνεργασία με το Τμήμα Μαθηματικών του University College του Λονδίνου.
«Αν και αυτό είναι ένα πολύ κοινό και φαινομενικά απλό αποτέλεσμα, είναι εξαιρετικά δύσκολο να το εξηγήσουμε ακριβώς στο πλαίσιο της μηχανικής των ρευστών», λέει ο Bernhard Scheichl. Η αιχμηρή άκρη στην κάτω πλευρά του ράμφους της τσαγιέρας παίζει τον πιο σημαντικό ρόλο: σχηματίζεται μια σταγόνα και η περιοχή ακριβώς κάτω από την άκρη παραμένει πάντα υγρή. Το μέγεθος αυτής της σταγόνας εξαρτάται από την ταχύτητα με την οποία το υγρό ρέει έξω από την τσαγιέρα. Εάν η ταχύτητα είναι χαμηλότερη από ένα κρίσιμο όριο, αυτή η πτώση μπορεί να κατευθύνει ολόκληρη τη ροή γύρω από την άκρη και να στάζει κάτω στο εξωτερικό τοίχωμα της τσαγιέρας.
«Καταφέραμε τώρα για πρώτη φορά να παρέχουμε μια πλήρη θεωρητική εξήγηση του γιατί σχηματίζεται αυτή η σταγόνα και γιατί το κάτω μέρος της άκρης παραμένει πάντα βρεγμένο», λέει ο Bernhard Scheichl. Τα μαθηματικά πίσω από αυτό είναι περίπλοκα: είναι μια αλληλεπίδραση δυνάμεων αδράνειας, ιξώδους και τριχοειδούς. Η αδρανειακή δύναμη διασφαλίζει ότι το υγρό τείνει να διατηρεί την αρχική του κατεύθυνση, ενώ οι τριχοειδείς δυνάμεις επιβραδύνουν το υγρό ακριβώς στο ράμφος. Η αλληλεπίδραση αυτών των δυνάμεων είναι η βάση του φαινομένου της τσαγιέρας. Ωστόσο, οι τριχοειδείς δυνάμεις διασφαλίζουν ότι το αποτέλεσμα ξεκινά μόνο σε μια πολύ συγκεκριμένη γωνία επαφής μεταξύ του τοίχου και της επιφάνειας του υγρού. Όσο μικρότερη είναι αυτή η γωνία ή όσο πιο υδρόφιλο (δηλαδή διαβρέξιμο) είναι το υλικό της τσαγιέρας, τόσο περισσότερο επιβραδύνεται η αποκόλληση του υγρού από την τσαγιέρα.
Τσάι στο διάστημα
Είναι ενδιαφέρον ότι η δύναμη της βαρύτητας σε σχέση με τις άλλες δυνάμεις που εμφανίζονται δεν παίζει καθοριστικό ρόλο. Η βαρύτητα καθορίζει απλώς την κατεύθυνση προς την οποία κατευθύνεται ο πίδακας, αλλά η δύναμή του δεν είναι καθοριστική για το φαινόμενο της τσαγιέρας. Επομένως, το φαινόμενο της τσαγιέρας θα παρατηρηθεί επίσης όταν πίνουμε τσάι στη σελήνη, αλλά όχι σε διαστημικό σταθμό χωρίς καθόλου βαρύτητα.
Οι θεωρητικοί υπολογισμοί για το φαινόμενο της τσαγιέρας δημοσιεύτηκαν από την ερευνητική ομάδα τον Σεπτέμβριο του 2021 στο Journal of Fluid Mechanics. Τώρα έγιναν επίσης πειράματα: Το νερό χύθηκε από μια κεκλιμένη τσαγιέρα με διαφορετικούς ρυθμούς ροής και κινηματογραφήθηκε με κάμερες υψηλής ταχύτητας. Με αυτόν τον τρόπο, ήταν δυνατό να φανεί πώς ακριβώς η διαβροχή της άκρης κάτω από έναν κρίσιμο ρυθμό έκχυσης οδηγεί στο «φαινόμενο της τσαγιέρας», επιβεβαιώνοντας έτσι τη θεωρία.
Το βίντεο του φαινομένου της τσαγιέρας – κινηματογράφηση υψηλής ταχύτητας
Πηγή: science daily
