Безупречно-белым скатертям и столешницам издавна угрожает "эффект чайника": если жидкость выливается из чайника слишком медленно, то поток жидкости иногда стекает вниз по его внешней стенке, попадая мимо чашки.
Это явление изучалось с научной точки зрения на протяжении десятилетий — теперь исследовательской группе Венского технического университета удалось полностью и подробно описать "эффект чайника" с помощью тщательного теоретического анализа и многочисленных экспериментов: взаимодействие различных сил удерживает крошечное количество жидкости непосредственно на краю, и этого достаточно для перенаправления потока жидкости при определенных условиях.
Может показаться удивительным, но "эффект чайника" был впервые описан Маркусом Райнером в 1956 году. Райнер получил докторскую степень в Техническом университете Вены в 1913 году, а затем эмигрировал в США, где стал важным пионером реологии — науки о поведении потока. Снова и снова ученые пытались точно объяснить этот эффект. Работа над этой темой была отмечена сатирической "Нобелевской премией" в 1999 году. Теперь исследование эффекта чайника завершилось полным циклом, так как оно было изучено в альма-матер Райнера, Техническом университете Вены, группой под руководством доктора Бернхарда Шейхля, лектора Института механики жидкости и теплообмена и ведущего научного сотрудника Австрийского центра передового опыта в области трибологии (AC2T research GmbH) в сотрудничестве с кафедрой математики Университетского колледжа Лондона.
Хотя это очень распространенный и, казалось бы, простой эффект, его чрезвычайно сложно объяснить точно в рамках механики жидкости. Острая кромка на нижней стороне носика чайника играет важнейшую роль: образуется капля, участок непосредственно под кромкой всегда остается влажным. Размер этой капли зависит от скорости, с которой жидкость вытекает из чайника. Если скорость ниже критического порога, эта капля может направить весь поток по краю, заставив жидкость стекать по внешней стенке чайника.
Математика, стоящая за этим, сложна — это взаимодействие сил инерции, вязкости и капиллярности. Сила инерции гарантирует, что жидкость стремится сохранить свое первоначальное направление, в то время как капиллярные силы замедляют движение жидкости прямо в "клюве". Взаимодействие этих сил лежит в основе эффекта чайника. Однако капиллярные силы гарантируют, что эффект начинается только при очень определенном контактном угле между стенкой и поверхностью жидкости. Чем меньше этот угол или чем более гидрофильным (т.е. смачиваемым) является материал чайника, тем больше замедляется отделение жидкости от чайника.
Интересно, что сила тяжести по отношению к другим возникающим силам 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 также будет наблюдаться при чаепитии на лунной базе, но не на космической станции, где гравитация вообще отсутствует.
Теоретические расчеты эффекта чайника были опубликованы исследовательской группой в сентябре 2021 года в Journal of Fluid Mechanics. Теперь тоже проводились эксперименты: из наклонного чайника наливали воду с разным расходом и снимали на высокоскоростные камеры. Таким образом удалось точно показать, как смачивание кромки ниже критической скорости заливки приводит к "эффекту чайника", тем самым подтвердив теорию.
