Ученые наконец объяснили «эффект чайника». Что это такое?
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. Казалось бы, досадная оплошность. 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.
«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.
«Хотя это очень распространенный и, казалось бы, простой эффект, его чрезвычайно трудно объяснить в рамках механики жидкости. Острый край на нижней стороне носика чайника играет важнейшую роль: там образуется капля, в результате чего область непосредственно под краем всегда остается влажной. Размер этой капли зависит от скорости, с которой жидкость вытекает из чайника. Если скорость ниже критического порога, поток перенаправляется, и жидкость стекает по носику чайника», – уверяет Бернхард Шайхль, ведущий автор исследования.
«Нам впервые удалось дать полное теоретическое объяснение того, почему образуется эта капля и почему нижняя сторона кромки носика у чайника всегда остается влажной. Математика, лежащая в основе этого, сложна – это взаимодействие инерционных, вязких и капиллярных сил. Сила инерции гарантирует, что жидкость стремится сохранить свое первоначальное направление, в то время как капиллярные силы замедляют движение жидкости прямо у носика чайника.
Взаимодействие этих сил лежит в основе так называемого «эффекта чайника». Однако капиллярные силы гарантируют, что эффект начинается только под определенным углом между стенкой и поверхностью жидкости. Чем меньше этот угол или чем более гидрофильный материал чайника, тем больше замедляется отделение жидкости от поверхности носика чайника», – добавляет Шайхль.
Интересно, что сила тяжести по отношению к другим возникающим силам в этом эффекте не играет решающей роли. Гравитация просто определяет направление, в котором направлена струя, но ее сила не имеет решающего значения для эффекта чайника. Таким образом, эффект чайника будет наблюдаться даже при чаепитии на лунной базе (но не на космической станции, где гравитация отсутствует вовсе).