Dribble tidak lagi: Fizik boleh membantu memerangi kesan "teko teh"

Peminum teh tahu dengan baik bahawa dribble menjengkelkan dari spout cerek yang sering berlaku sebagai satu menuangkan cawan menyegarkan yang bagus. Ia juga dikenali sebagai "kesan teko," dan ia biasanya berlaku apabila teh dibuang terlalu perlahan. Potters biasanya merancang periuk mereka - memberikan spout bibir nipis, misalnya - untuk mengurangkan kemungkinan dribbling, berdasarkan abad pengetahuan terakru yang diperoleh dari percubaan dan kesilapan.

Sekarang sekumpulan ahli fizik Belanda telah menghasilkan model kuantitatif untuk meramalkan dengan tepat kadar aliran yang tepat untuk berapa banyak (atau berapa sedikit) teko yang akan menggeliat seperti yang dituangkan, yang diterangkan dalam kertas kerja baru dalam Surat Peninjauan Fizikal. Model ini secara tepat menerangkan kedua-dua kesan teko mudah dan tingkah laku yang lebih kompleks-terutamanya, pembentukan heliks sebagai aliran air berputar di sekeliling silinder. Itu harus menjadi rahmat bukan hanya untuk reka bentuk teko, tetapi untuk percetakan 3D dan aplikasi perindustrian yang serupa, yang juga dibelenggu oleh dribbling yang tidak menyenangkan.

Fizik telah lama terpesona oleh fenomena ini. Jurutera Stanford dan ahli matematik Stanford, Joseph B. Keller pernah teringat menghadiri syarahan oleh seorang saintis Israel yang menyebut bahawa dia akan menimbulkan persoalan mengapa teapot menggelincirkan 100 ahli fizik. Semua berpendapat bahawa ia mesti disebabkan ketegangan permukaan, tetapi apabila saintis Israel melakukan eksperimen untuk menguji teori itu, ini tidak membuktikannya.

Tertanya-tanya, Keller melakukan siasatannya sendiri dan menyimpulkan bahawa titisan itu sebenarnya disebabkan oleh tekanan udara. Dia dan rakan sekerja, Jean-Marc Vanden-Broeck, menerbitkan sebuah karya pada tahun 1986-karya yang memperolehnya hadiah Nob Nobi pada tahun 2012. "Adalah semata-mata di bibir yang mengalir tekanan dalam cecair adalah lebih rendah daripada tekanan dalam udara sekitarnya, "kata Keller kepada Journal Etsy pada tahun 2013 (dia meninggal pada tahun 2016). "Jadi tekanan udara menolak teh ke atas bibir dan ke luar dari muncung."

Dalam jargon fizik, pada kadar aliran yang lebih tinggi, lapisan cecair yang paling dekat dengan pembuangan air panci itu sehingga ia mengalir dengan lancar dan tidak menetes. Pada kadar aliran yang lebih rendah, apabila pemisahan aliran berlaku, ia menyambung semula ke permukaan muncung, menghasilkan aliran dribbling.

Diameter diameternya, kelengkungan bibir, dan "kebolehgawalaan" (keutamaan cecair untuk bersentuhan dengan pepejal yang dikelilingi oleh cecair lain) dari bahan apa saja yang dihasilkan oleh teapot, juga faktor yang boleh mempengaruhi sama ada atau tidak cerek cerek. Tetapi mereka bukan punca utama. Dalam satu kertas kerja 2010, satu pasukan ahli fizik Perancis dari University of Lyon menunjukkan bahawa punca sebenar dribbling itu adalah sejenis "kesan hidro-kapilari" yang menghalang (pada kelajuan yang lebih cepat tuangkan) cecair dari melepaskan dari muncung untuk lancar, aliran bersih. Semua faktor lain memainkan peranan dalam menentukan sejauh mana kesan hidro-kapilari itu.

Seperti yang sering terjadi, kajian terbaru ini berkembang daripada seorang saintis yang ingin tahu yang mengingatkan sesuatu yang aneh dan cuba untuk membuat penjelasan. Etienne Jambon-Puillet, seorang postdoc di University of Amsterdam, sedang membersihkan jarum suntikan dengan botol muncung di makmal satu hari dan terpesona oleh bagaimana cecair yang dibalut jarum silinder menjadi sejenis struktur heliks. "Saya melihat [aliran etanol] berputar di atas jarum, dan saya seperti, 'Oh, ini sangat menakjubkan'," katanya kepada Physics Buzz.

Pembacaan cepat kesusasteraan fizik yang sedia ada tidak menghasilkan model yang benar-benar berdaya maju untuk menjelaskan fenomena ini, jadi dia memutuskan untuk melakukan "eksperimen yang betul." Dan dia merekrut rakan-rakannya di Universiti Amsterdam, Twente, dan Saxion untuk membantu. Mereka menubuhkan satu siri silinder menegak (satu set yang diperbuat daripada kaca, yang lain dari Teflon) dan menembak jet air yang dicelupkan di atasnya, membayangkan bagaimana cecair berkelakuan pada kadar aliran yang berbeza-beza.

Mereka mendapati bahawa jet air terus ke jalan yang lurus pada kadar aliran yang tinggi, dan ketika kadar itu berkurang, air mula melencong sedikit. Pada kadar aliran yang lebih rendah, air mula mengalir dan "berpaut" ke permukaan silinder sebelum merebak menjadi helix-sama seperti etanol sekitar jarum pada hari itu di makmal Jambon-Puillet. Rupa-rupanya, ia disebabkan oleh gandingan antara hidrodinamik dan pembasahan.

Per Fizik Buzz:

Hidrodinamik sedutan adalah kesan yang sama yang membuat kapal terbang di langit atau bola melayang di atas blower daun. [Ia] menunjukkan di mana bendalir-yang boleh sama ada gas atau percubaan cecair untuk bergerak melepasi permukaan melengkung dalam aliran laminar (garis lurus); kelengkungan pepejal mengganggu aliran dan mencipta kejatuhan tekanan yang menghisap bendalir masuk. Membasahkan tendangan pada saat aliran menemui permukaan silinder apabila molekul di tepi paling luar aliran berinteraksi dengan pepejal, sama seperti bagaimana bentuk air meniskus dalam tiub ujian. Ini gabungan kekuatan ini dan sedutan hidrodinamik yang menyimpan cecair terikat ke silinder apabila ia berputar ke bawah.

Model baru mereka dengan tepat meramalkan apabila peralihan penting ini untuk "melekat," daripada melepaskan, dari permukaan padat seperti silinder (atau spout teh) akan berlaku.

DOI: Surat Pemeriksaan Fizikal, 2019. 10.1103 / PhysRevLett.122.184501 (Mengenai DOI).

Tonton video itu: 3 Bintang Dribble Terbaik Eropa Saat Ini (Disember 2019).