На самом деле вода начинает литься мимо чашки после того, как поток из носика чайника ослабевает. Физики это объясняется так: когда человек выливает жидкость, она стремится повторить изгиб края сосуда. При сильном наклоне и, соответственно, сильном потоке струя легко срывается с края носика, но наклону чуть ослабеть, и вода уже бежит по стенке носика к донцу, в конце концов проливаясь на всё вокруг.
Предыдущие исследования в этой области показали, что на отрыв воды от носика влияют очень многие факторы. Среди них радиус кривизны нижнего краешка носика, скорость потока, пористость, а также намокаемость материала, из которого сделан чайник.
Французский специалист по гидродинамике Сирил Дуэс (Cyril Duez) и его коллеги попытались решить эту проблему раз и навсегда, подойдя к ней комплексно. В ходе тестов выяснилось, что настоящей причиной подтекания является гидрокапиллярность, определяющая, оторвётся ли струйка воды от носика во время выливания или нет. Все ранее перечисленные факторы так или иначе связаны с этой характеристикой.
Исходя из этого, Дуэс предлагает два варианта выхода из ситуации. Первый: сделать нижний краешек как можно более тонким, тогда в случае с металлическим носиком проблема станет проявляться значительно реже.
Второй (и более действенный): сделать специальное супергидрофобное покрытие, отталкивающее воду и заставляющее струю срываться в любом случае. Тогда эффект полностью исчезнет. Препринт статьи авторов доступен на сервере препринтов arXiv.org
В
исследовании все процессы, происходящие при срыве струи с носика, были
расписаны с математической точностью (фото и иллюстрация Duez et al.).
Носики многих чайников беспардонно подтекают, стоит
только немного неправильно наклонить сосуд. Это явление происходит
настолько часто, что ему даже дали своё имя — «эффект чайника». Отчего
так происходит и как бороться с неприятным явлением, рассказали
исследователи из университета Лиона (Universit é de Lyon).
На
самом деле вода начинает течь мимо чашки из-за того, что поток из
носика чайника ослабевает. Физики объясняют это так: когда человек
выливает жидкость, она стремится повторить изгиб края. При сильном
наклоне и, соответственно, сильном потоке струя срывается с края
носика, но стоит ему чуть ослабеть, и вода уже бежит по стенке носика к
донцу, в конце концов проливаясь на всё вокруг.
Предыдущие
исследования в этой области (и ведь заинтересовался кто-то!) показали,
что очень многие факторы определяют, произойдёт ли отрыв. Среди них
радиус кривизны нижнего краешка носика, скорость потока, пористость, а
также намокаемость материала, из которого сделан чайник.
Французский
специалист по гидродинамике Сирил Дуэс (Cyril Duez) и его коллеги
задумали решить эту проблему раз и навсегда и подошли к ней комплексно.
В ходе тестов выяснилось, что настоящей причиной подтекания является
гидрокапиллярность, которая определяет, оторвётся ли струйка воды от
носика во время выливания или нет. Все ранее перечисленные факторы так
или иначе повязаны на этой характеристике.
Что
же делать, чтобы «эффект чайника» пропал? Дуэс считает, что выходов
два. Первый: сделать нижний краешек как можно более тонким, тогда в
случае с металлическим носиком проблема станет проявляться значительно
реже.
Второй (более действенный):
сделать специальное супергидрофобное покрытие, оно будет отталкивать
воду, заставляя струю срываться в любом случае. Эффект исчезнет. Более
подробно об исследовании читайте в статье авторов, появившейся на сервере препринтов arXiv.org
Корреспондент Technology Review предположил, что данное открытие достойно Шнобелевской премии, не меньше. Заметят ли его организаторы, узнаем в будущем году.
Отметим в скобках, что люди не только могут бесконечно изучать свойства
чайных приборов, но и поклоняться им. Так, в 2005 году в Малайзии
запретили целый культ заварочного чайника. Так называемые храмы этого
культа – заварочный чайник, голубая ваза и зонтик. Последователи учения
о чайнике считали, что все религии одинаково важны и любой может найти
собственный путь к Богу. Заварочный чайник, вода из которого
переливалась в голубую вазу, символизировал чистоту воды, подобную
чистой любви, идущей с небес на землю. Община включала мусульман,
китайцев и индусов, живущих в Малайзии.
источник: Technology Review
Носики многих чайников беспардонно протекают, стоит только немного неправильно наклонить сосуд. Это явление происходит настолько часто, что ему даже дали своё имя — «эффект чайника». Отчего так происходит и как бороться с неприятным явлением, рассказали исследователи из университета Лиона (Universit й de Lyon).
На самом деле вода начинает течь мимо чашки из-за того, что поток из носика чайника ослабевает. Физики объясняют это так: когда человек выливает жидкость, она стремится повторить изгиб края. При сильном наклоне и, соответственно, сильном потоке струя срывается с края носика, но стоит ему чуть ослабеть, и вода уже бежит по стенке носика к донцу, в конце концов проливаясь на всё вокруг.
Предыдущие исследования в этой области (и ведь заинтересовался кто-то!) показали, что очень многие факторы определяют, произойдёт ли отрыв. Среди них радиус кривизны нижнего краешка носика, скорость потока, пористость, а также намокаемость материала, из которого сделан чайник.
http://www.membrana.ru/images/forms/11344.jpeg
Почувствуйте разницу: сверху показан чайник, носик которого покрыт гидрофильным веществом (притягивающим воду), снизу – с супергидрофобным покрытием. На картинках слева – поток сильный, справа – слабый. У нового сосуда вода начинает капать, вместо того чтобы стекать по стенке (фото Duez et al.).
Французский специалист по гидродинамике Сирил Дуэс (Cyril Duez) и его коллеги задумали решить эту проблему раз и навсегда и подошли к ней комплексно. В ходе тестов выяснилось, что настоящей причиной подтекания является гидрокапиллярность, которая определяет, оторвётся ли струйка воды от носика во время выливания или нет. Все ранее перечисленные факторы так или иначе повязаны на этой характеристике.
Что же делать, чтобы «эффект чайника» пропал? Дуэс считает, что выходов два. Первый: сделать нижний краешек как можно более тонким, тогда в случае с металлическим носиком проблема станет проявляться значительно реже.
Второй (более действенный): сделать специальное супергидрофобное покрытие, оно будет отталкивать воду, заставляя струю срываться в любом случае. Эффект исчезнет. Более подробно об исследовании читайте в статье авторов, появившейся на сервере препринтов arXiv.org
Корреспондент Technology Review предположил, что данное открытие достойно Шнобелевской премии, не меньше. Заметят ли его организаторы, узнаем в будущем году.
Физики (теперь уже окончательно) разобрались, почему у чайника капает с носика
Время на прочтение
3 мин
Количество просмотров 13K
В работе, опубликованной в сентябре в журнале Journal of Fluid Mechanics, физики из Венского технологического университета и Университетского колледжа Лондона представили теоретические расчёты потока жидкости из носика чайника. Расчёты, в частности, описывают, почему и в какой момент с носика начинает капать. Теперь же они объявили, что их теоретическая модель с честью прошла экспериментальную проверку.
«Эффект чайника» знаком всем любителям чая – при наливании этого напитка в чашку частенько на нижней части носика появляются капли, скатывающиеся вниз и заливающие стол рядом с чашкой. Этим эффектом физики интересовались уже много десятилетий, поскольку он явил собой неожиданно сложную теоретическую проблему. В 1999 году одна группа исследователей уже удостоилась Шнобелевской премии за работу по этой теме.
В 2019 году появилась работа нидерландских физиков, в которой численная модель точно предсказывала связь скорости потока жидкости из носика и количество появляющихся капель. Казалось, этот вопрос был уже закрыт.
Но выяснилось, что кое-какие пробелы всё ещё оставались незаполненными. И вот теперь физики из Венского технологического университета и Университетского колледжа Лондона объявили, что, наконец, создали полное теоретическое описание эффекта чайника, включающее в себя сложное взаимодействие сил инерции, вязкости и капиллярного эффекта, перенаправляющих поток жидкости при определённых условиях. При этом оказалось, что гравитация играет второстепенную роль, и отвечает лишь за направление течения. То есть, допустим, на Луне эффект чайника никуда бы не делся, а исчез бы только на МКС.
Такая, казалось бы, несерьёзная проблема, как эффект чайника, на самом деле связана с решением сложных задач о поведении потока жидкости, и с микрогидродинамикой, отвечающей за разработку интересных устройств типа микрофлюидных чипов.
Первым эффект чайника в науке описал Маркус Райнер – один из основоположников реологии, раздела физики, изучающего деформационные свойства и текучесть вещества. Затем специалист по прикладной математике Джозеф Келлер провёл собственные эксперименты и пришёл к заключению, что за появление капель отвечает не поверхностное натяжение, как считалось ранее, а атмосферное давление. Они с коллегой, Жан-Марком Ванден-Броком, опубликовали в 1986 году работу на эту тему – которая и удостоилась Шнобелевской премии в 1999-м. Келлер подсчитал, что давление жидкости на кончике носика получается меньше, чем в окружающем его воздухе, в результате чего последний прижимает жидкость к носику и выталкивает её наружу.
При высокой скорости потока слой жидкости, непосредственно примыкающий к носику, отстаёт от него и остаётся вместе с основным потоком, не порождая капель. При медленном наливании чая потоки разделяются, нижний поток пристаёт к носику и появляются капли. На весь процесс влияют диаметр отверстия носика, кривизна его кончика, смачиваемость материала чайника и другие факторы.
Однако оказалось, что все эти факторы не самые важные. В 2010 году французские физики показали, что главным фактором является т.н. «гидро-капиллярный эффект», не дающий нижнему слою потока отрываться от носика. А все остальные факторы лишь определяют силу этого эффекта. Чтобы избежать капель, физики предложили делать кончик носика тонким и заострённым, и, возможно, покрывать его водоотталкивающим материалом.
Работа 2019 года появилась благодаря тому, что физик из Амстердамского университета заинтересовался тем, как жидкость облегает цилиндрические иглы шприцов, которые он как-то мыл в лаборатории. В экспериментах они с коллегами обнаружили, что чем меньше была скорость потока жидкости, тем сильнее жидкость отклонялась от своего пути. А при совсем малых скоростях жидкость начинала закручиваться вокруг цилиндров и «прилипать» к ним. Они дали теоретическое описание совместной работы гидростатического всасывания и смачивания поверхности жидкостью.
Новая работа не противоречит предыдущей, но уточняет, что при падении скорости ниже определённого порога будет появляться эффект чайника. Капелька обязательно появится под кончиком носика чайника, а её размер будет обусловлен скоростью потока. При малых скоростях капля увеличится настолько, что сумеет преодолеть край носика и утечь вниз.
Инерция позволяет жидкости сохранять струю. Капиллярные силы замедляют её на конце носика. Другие ключевые факторы – угол между струёй чая и носиком чайника, а также гидрофильность его материала.
По словам Бернарда Шейхеля из Венского технического университета, одного из авторов работы, хотя этот эффект распространён и кажется довольно простым, его неожиданно сложно точно описать в рамках теории механики жидкостей. Полное теоретическое описание эффекта формирования капель и смачивания конца носика было получено впервые.
Фото: Shutterstock
Эту загадку природы ученые решали десятилетиями. Это не у вас руки не оттуда растут, а законы физики так работают
Ученые из Венского технологического университета наконец-то смогли объяснить «эффект чайника». Это та самая ситуация, когда вы медленно наливаете чай в чашку, а он стекает по носику, а не льется потоком, куда нужно, делая лужу на столе. Само загадочное явление физики описали еще в 1965 году, но почти 60 лет пытались его изучить. И наконец-то смогли. Ваши руки не при чем — теперь вы будете знать, что отвечать в таких случаях.
Все дело в капле
Как оказалось, на нижней стенке края носика появляется капля. И ее размер как раз зависит от скорости, с которой наливается чай. Если скорость слишком низкая, то капля становится слишком большой. И поэтому весь поток льется вдоль носика чайника, а не отрывается от него.
На решение этой загадки ушли без малого десятилетия.
С вами это наверняка не раз случалось: очень медленно и аккуратно пытаетесь налить напиток из чайника в чашку, но вместо прицельного попадания поток соскальзывает на нижнюю кромку носика чайника и все льется мимо. Кто-то скажет, что руки растут не оттуда. Ан нет – целая закономерность!
«Эффект чайника» изучали десятилетиями, и теперь исследовательской группе удалось целиком и подробно описать его с помощью тщательного теоретического анализа и многочисленных экспериментов. Они выяснили, что взаимодействие различных сил удерживает крошечное количество жидкости непосредственно на краю носика чайника: этого достаточно, чтобы при определенных условиях перенаправить поток жидкости.
Открытие удостоилось Шнобелевской премии
«Эффект чайника» был впервые описан Маркусом Райнером в 1956 году. Райнер получил докторскую степень в Венском технологическом университете в 1913 году, а затем эмигрировал в США, где стал важным пионером реологии – науки, изучающей деформационные свойства и текучесть вещества.
Снова и снова ученые пытались объяснить этот эффект. Работа над этой темой даже была отмечена шуточной Шнобелевской премией в 1999 году. Теперь круг замкнулся – исследование «эффекта чайника» завершилось в альма-матер Райнера – Венском технологическом университете.