Физики (теперь уже окончательно) разобрались, почему у чайника капает с носика
В работе, опубликованной в сентябре 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 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.
