Эффект чайника , также известный как подтекание , представляет собой явление гидродинамики , которое происходит, когда жидкость, выливаемая из емкости, стекает по носику или корпусу сосуда, а не вытекает по дуге. [1]
Маркус Райнер ввел термин «эффект чайника» в 1956 году для описания тенденции жидкости стекать по стенке сосуда во время наливания. [2] [3] Райнер получил докторскую степень в Венском техническом университете в 1913 году и внес значительный вклад в развитие изучения поведения потока, известного как реология . [1] Райнер считал, что эффект чайника можно объяснить принципом Бернулли , который гласит, что увеличение скорости жидкости всегда сопровождается уменьшением ее давления. Когда чай наливают из чайника, скорость жидкости увеличивается по мере того, как она течет через сужающийся носик. Именно это уменьшение давления, по мнению Райнера, заставляет жидкость стекать по стенке чайника. [4] [3] Однако исследование 2021 года показало, что основной причиной этого явления является взаимодействие инерционных и капиллярных сил . [3] Исследование показало, что чем меньше угол между стенкой контейнера и поверхностью жидкости, тем сильнее замедляется эффект чайника. [5]
Около 1950 года исследователи из института Технион в Хайфе (Израиль) и из Нью-Йоркского университета попытались объяснить этот эффект с научной точки зрения. [6] Фактически, существуют два явления, которые способствуют этому эффекту: с одной стороны, для его объяснения используется уравнение Бернулли, с другой стороны, также важна адгезия между жидкостью и материалом носика.
Согласно объяснению Бернулли, жидкость при выливании прижимается к внутреннему краю носика, поскольку условия давления на конце, краю, существенно меняются; окружающее давление воздуха толкает жидкость к носику. С помощью подходящей геометрии горшка (или достаточно высокой скорости выливания) можно избежать того, чтобы жидкость достигла носика и, таким образом, вызвала эффект чайника. Законы гидродинамики (теория потока) описывают эту ситуацию, соответствующие из них объясняются в следующих разделах.
Поскольку адгезия также играет роль, материал носика или тип жидкости (например, вода, спирт или масло) также имеют значение для возникновения эффекта чайника.
Эффект Коанды иногда упоминается в этом контексте, [7] [8] [9] [10], но он редко цитируется в научной литературе [8] и поэтому не имеет точного определения. Часто кажется, что в этом смешиваются несколько разных явлений.
В гидродинамике поведение текущих жидкостей иллюстрируется линиями тока. Они идут в том же направлении, что и сам поток. Если вытекающая жидкость сталкивается с краем, поток сжимается в меньшее поперечное сечение. Он не прерывается только в том случае, если скорость потока частиц жидкости остается постоянной, независимо от того, где находится воображаемое поперечное сечение (перпендикулярное потоку). Таким образом, через одну площадь поперечного сечения должно поступать одинаковое количество массы, что и вытекать из другой. Теперь из этого можно сделать вывод, но также наблюдать в реальности, что поток ускоряется в узких местах, а линии тока объединяются. Эта ситуация описывает уравнение непрерывности для нетурбулентных потоков.
Но что происходит с условиями давления в потоке, если изменить скорость потока? Ученый Даниил Бернулли занимался этим вопросом еще в начале 18 века. Основываясь на соображениях непрерывности, упомянутых выше, и включив сохранение энергии, он связал две величины давления и скорости. Основное утверждение уравнения Бернулли заключается в том, что давление в жидкости падает там, где скорость увеличивается (и наоборот): Поток по Бернулли и Вентури.
Давление в потоке уменьшается на краю носика банки. Однако, поскольку давление воздуха снаружи потока везде одинаково, возникает разность давлений, которая подталкивает жидкость к краю. В зависимости от используемых материалов внешняя часть носика теперь смачивается в процессе течения. В этот момент возникают дополнительные силы на границе раздела: жидкость течет узкой струйкой вдоль носика и банки, пока не оторвется от нижней стороны.
Нежелательный эффект чайника возникает только при медленном и осторожном наливании. [6] При быстром наливании жидкость вытекает из носика по дуге, не капая, поэтому ей придается относительно высокая скорость, с которой жидкость удаляется от края (см. Скорость истечения Торричелли ). Разница давлений, возникающая из уравнения Бернулли, тогда недостаточна, чтобы повлиять на поток в такой степени, чтобы жидкость выталкивалась вокруг края носика.
Поскольку условия потока можно описать математически, также определяется критическая скорость истечения. Если она падает ниже при выливании, жидкость стекает по горшку; она капает. Теоретически эта скорость может быть точно рассчитана для конкретной геометрии банки, текущего давления воздуха и уровня заполнения банки, материала носика, вязкости жидкости и угла выливания. Поскольку, за исключением уровня заполнения, большинство влияющих переменных невозможно изменить (по крайней мере, недостаточно точно на практике), единственный способ избежать эффекта чайника обычно заключается в выборе подходящей геометрии для горшка.
Другое явление — это уменьшение давления воздуха между носиком и струей жидкости из-за увлечения молекул газа (односторонний эффект нагнетания струи воды), так что давление воздуха с противоположной стороны будет толкать струю жидкости в сторону носика. Однако в условиях, обычно преобладающих при наливании чая, этот эффект вряд ли проявится.
Хороший кувшин должен, независимо от моды, иметь носик с отрывным краем (т. е. без закругленного края), чтобы было труднее обтекать край. Что еще важнее, носик должен сначала вести вверх (независимо от положения, в котором держится кувшин). В результате жидкость будет вынуждена течь вверх после обхода края носика при наливании, но этому препятствует сила тяжести. Таким образом, поток может противостоять смачиванию даже при медленном наливании, и жидкость не достигает наклоненной вниз части носика и корпуса кувшина.
На изображении справа [ необходимо уточнение ] показаны три сосуда с плохим поведением при разливании. Даже в горизонтальном положении, то есть стоя на столе, нижние края носиков не направлены вверх. [6] За ними находятся четыре сосуда с хорошими характеристиками потока, обусловленными хорошо сформированными наконечниками. Здесь жидкость поднимается по нижнему краю носика под углом менее 45°. [6] Отчасти это становится очевидным только при рассмотрении нормального максимального уровня заполнения: например, стеклянный графин справа на первый взгляд кажется плохим разливателем из-за своего тонкого горлышка. Однако, поскольку такие сосуды обычно заполняются максимум до края круглой части колбы, тогда получается выгодный подъем горлышка при горизонтальном разливании. Угол вверх для жидкости при разливании. В двух нижних кувшинах справа высокое расположение носика (выше максимального уровня наполнения) означает, что перед наливанием сосуд необходимо немного наклонить, чтобы носик можно было поднять сразу за край (против силы тяжести).
Чтобы избежать эффекта чайника, можно наполнить горшок меньше, так что с самого начала необходим больший угол наклона. Однако эффект или идеальный уровень наполнения снова зависит от геометрии банки.
Эффект чайника не возникает с бутылками, потому что тонкое горлышко бутылки всегда направлено вверх при наливании; поэтому поток должен был бы «течь вверх» на большом расстоянии. [6] Поэтому емкости, похожие на бутылки, часто используются для жидких химикатов в лаборатории. Там также используются определенные материалы, чтобы предотвратить капание, например, стекло, которому можно легко придать форму или даже отшлифовать для создания максимально острых краев, или, например, тефлон, который уменьшает эффект адгезии, описанный выше.
Коанда-Эффект
(bzw. «Kaffeekanneneffekt»-ein Tropfen folgt der Oberfläche)(Примечание. Называет эффект «эффектом кофейника», а не «эффектом чайника».)
Eine tropfende Schnaupe ist nicht nur bei den Kannen, die in der Gastronomie eingesetzt werden, ein Ärgernis. Был ли функциональный Mängeln im Haushaltsgebrauch noch toleriert werden kann, это проблема гастрономии ein ernsthaftes. Verschmutzte Tischtücher и vertropfte Untertassen sind kein Aushängeschild für Ein Gut Geführtes Café. Nach dem Ausgiessen sollte keine Flussigkeit mehr an der Außenwand der Kanne entlanglaufen und kein Tropfen an der Tülle hängen bleiben. Es gab einige absonderlich wirkende Versuche, Flüssigkeit am Ablaufen zu Hindern. Sollten beispielsweise ablaufende Tropfen durch Rillen in der Kannenwandung aufgehalten werden. Bereits 1929 führte die Porzellanfabrik Weiden Gebr. Bauscher Kannen mit einer nichttropfenden Schnaupe ein. Infolge einer Bohrung durch den Ausguß und einer dünnen Rille auf der Innenseite der Tülle strömt die Flüssigkeit nach dem Aufrichten der Kanne durch Kapillarkraft zurück. Die Herstellung eines Tropfenfangs mit einer Bohrung ist heute produktionstechnisch zu aufwendig. Viele Versure und Testreihen предупреждают и не замечают, что идеальная Neigungswinkel von Ausgüssen zu finden, damit die Flüssigkeit beim Aufrichten des Gefäßes ohne zu tropfen in die Schnaupe zurückläuft.(1+2+186+2 страницы) (Примечание. Тираж данного издания ограничен 1000 экземплярами.)
[…] Das Interesse der "Porzellanfabrik Walküre" richtete sich dabei weniger auf das schmucklose Erscheinungsbild eines Porzellangegenstandes, sondern vielmehr auf den wortwörtlich verstandenen funktionalen Nutzen. Ausdruck dieses Bestrebens ist neben der bereits zum Standard gewordenen Deckelhalterung nun auch die nichttropfende Schnaupe. Проблема «Тропфенс» предназначена для гастрономического сектора, который может помочь вам получить натуральную пищу в необъятных местах. Unzählige Testreihen принесет разнообразные Lösungen [A] Hervor, von denen die Rille in der Kannenwandung, wie sie das Geschirr der Porzellanfabrik Walküre aufweist, sich als zuverlässig erweist und dementsprechend Patentiert Wird. Der Stolz dieser Erfindung wird auch nach außen hin sichtbar, indem man den speziell damit versehenen Servicen ein P, wie Patent,hinzufügte. […] Werbeblatt, Gastronomiegeschirr, Kannenmodell 604P. «P» зарегистрирован в патенте для Nichttropfende Schnaupe. […](1+195+1 страниц) (Примечание. Тираж данной публикации ограничен 1000 экземплярами. Соответствующий патент, по-видимому, DRP 476417.)
СПЕЦИАЛЬНОЕ ОБЪЯВЛЕНИЕ: Сейчас, в 2012 году, мы исправляем ошибку, которую допустили в 1999 году, когда не включили имя одного победителя. Теперь мы это исправляем, присуждая часть премии по физике 1999 года Джозефу Келлеру. Профессор Келлер также является одним из лауреатов Шнобелевской премии по физике 2012 года, что делает его двукратным лауреатом Шнобелевской премии. […] Исправленная ссылка: ПРЕМИЯ ПО ФИЗИКЕ 1999 ГОДА: Лен Фишер [Великобритания и Австралия] за расчет оптимального способа макания печенья, а также Жан-Марк Ванден-Брук [Великобритания и Бельгия] и Джозеф Келлер [США] за расчет того, как сделать носик чайника, который не капает.