Çaydanlıklar Neden Hep Damlatır?

"Çaydanlık etkisi" yüzyıllardır lekesiz beyaz masa örtülerini tehdit ediyor: Bir sıvı demlikten çok yavaş dökülürse sıvı akışı bazen kendini çaydanlıktan ayırmaz, bardağa doğru yolunu bulur ama çaydanlığın dışına damlatır. Bu fenomen, onlarca yıldır bilimsel olarak incelenmiştir - şimdi TU Wien'deki bir araştırma ekibi, ayrıntılı bir teorik analiz ve sayısız deneyle "çaydanlık etkisini" tamamen ve ayrıntılı bir şekilde tanımlamayı başarmıştır: Farklı kuvvetlerin etkileşimi, küçük bir sıvı miktarını doğrudan tutar kenardadır ve bu, belirli koşullar altında sıvı akışını yeniden yönlendirmek için yeterlidir.

"Çaydanlık etkisi" ilk olarak 1956'da Markus Reiner tarafından tanımlandı. Reiner doktorasını 1913'te TU Wien'de kazandı ve daha sonra ABD'ye göç etti ve burada reolojinin, yani akış davranışı biliminin önemli bir öncüsü oldu. Bilim insanları tekrar tekrar bu etkiyi tam olarak açıklamaya çalıştılar. Bu konuyla ilgili çalışma, 1999'da hicivli "IG Nobel Ödülü" ile ödüllendirildi.

Bernhard Scheichl, "Bu çok yaygın ve görünüşte basit bir etki olmasına rağmen, bunu tam olarak akışkanlar mekaniği çerçevesinde açıklamak oldukça zordur" diyor. Çaydanlık gagasının alt tarafındaki keskin kenar en önemli rolü oynar: bir damla oluşur, kenarın hemen altındaki alan daima ıslak kalır. Bu damlanın boyutu, sıvının çaydanlıktan dışarı akma hızına bağlıdır. Hız kritik bir eşikten daha düşükse, bu düşüş tüm akışı kenara yönlendirebilir ve çaydanlığın dış duvarına damlar.

Bernhard Scheichl, "Bu damlanın neden oluştuğuna ve kenarın alt tarafının neden her zaman ıslak kaldığına dair tam bir teorik açıklama sağlamayı ilk kez başardık" diyor. Bunun arkasındaki matematik karmaşıktır; eylemsizlik, viskoz ve kılcal kuvvetlerin bir etkileşimidir. Eylemsizlik kuvveti, sıvının orijinal yönünü koruma eğiliminde olmasını sağlarken, kılcal kuvvetler sıvıyı gagada yavaşlatır. Bu kuvvetlerin etkileşimi çaydanlık etkisinin temelidir. Bununla birlikte, kılcal kuvvetler, etkinin yalnızca duvar ve sıvı yüzeyi arasındaki çok özel bir temas açısında başlamasını sağlar. Bu açı ne kadar küçükse veya çaydanlığın malzemesi ne kadar hidrofilik (yani ıslanabilir) olursa, sıvının çaydanlıktan ayrılması o kadar yavaşlar.

İlginç bir şekilde, ortaya çıkan diğer kuvvetlere göre yerçekimi kuvveti belirleyici bir rol oynamaz. Yerçekimi yalnızca jetin yönlendirildiği yönü belirler, ancak gücü çaydanlık etkisi için belirleyici değildir. Çaydanlık etkisi bu nedenle ay üssünde çay içerken de gözlemlenebilir, ancak yerçekimi olmayan bir uzay istasyonunda değil.

Çaydanlık etkisine ilişkin teorik hesaplamalar araştırma ekibi tarafından Eylül 2021'de Journal of Fluid Mechanics'te yayınlandı. Artık deneyler de yapıldı, eğimli bir çaydanlıktan farklı akış hızlarında su döküldü ve yüksek hızlı kameralarla filme alındı. Bu şekilde, kritik bir dökme hızının altında kenarın ıslanmasının nasıl "çaydanlık etkisine" yol açtığını tam olarak göstermek mümkün oldu ve böylece teoriyi doğruladı.

 

Kaynak:

https://phys.org/news/2021-11-teapots.html