Ученые объяснили «эффект чайника» - процесса образования капли при наливании жидкости

Так называемый «эффект чайника», то есть ситуация, когда при слишком медленном наливании жидкость стекает по его стенке, а не образует оторванный поток, давно является проклятием многих безупречных скатертей. Это явление физики изучают с тех пор, как оно было впервые описано в 1965 году Маркусом Райнером, который был пионером реологии - исследования текучей материи. Полные результаты исследования были опубликованы в Journal of Fluid Mechanics.

Но только сейчас команде под руководством Венского технологического университета (TU Wien) удалось разработать полное теоретическое понимание того, почему возникает такой эффект. Они объяснили, что ключ кроется в том, как на нижней стороне края носика образуется капля, размер которой зависит от скорости разливания чая. Если скорость падает ниже критического порога, капля становится достаточно большой, чтобы направить весь поток вокруг края носика. Наряду с моделированием эффекта, исследователи также засняли на высокоскоростные камеры процесс разлива чая с разной скоростью, что позволило им подтвердить свою теорию. 

«Хотя это очень распространенный и, казалось бы, простой эффект, его чрезвычайно трудно объяснить в рамках механики жидкости», - пояснили ученые. По их словам, математика, лежащая в основе потока чая из носика чайника, включает сложное взаимодействие инерционных и капиллярных сил. Это те же самые силы, которые удерживают песчинки в замках из песка и позволяют тканям впитывать воду.

В частности, первые действует так, чтобы поток текучей среды сохранял свое первоначальное направление. Вторые тем временем противодействует этому, замедляя жидкость прямо у «клюва» на конце носика чайника, образуя более крупную каплю. Таким образом, когда капиллярные силы достаточно сильны, чай разливается, а не льется - и это переключение происходит для данного чайника при определенном угле контакта между носиком и поверхностью текущей жидкости.

Ученые объяснили, что чем меньше угол - или чем более смачиваемый (или «гидрофильный») материал чайника - тем больше замедляется отрыв потока жидкости от носика. Они также пояснили, что ими была рассмотрена степень влияния гравитации на эффект чайника, но в итоге они пришли к выводу, что по сравнению с другими задействованными силами она не играет решающей роли. Фактически, сила тяжести лишь определяет, в каком направлении направлена струя жидкости, но не имеет значения для развития этого эффекта как такового.