Muke po čajniku?
“Jeste li čuli za efekt čajnika”? Skuhate si čaj, jedva čekate da popijete svoju prvu šalicu , a onda prospete većinu jer vam čajnik podlijeva. Brzo uzimate prvo što vam je pri ruci i brišete proliveni čaj. Ma nije važno, te majice ste se već odavno htjeli riješiti, a i stolnjaku je već vrijeme za pranje. Ovakav rasplet poznat je svima koji muku muče sa svojim neposlušnim čajnikom.
Što je to “Efekt čajnika”?
Ulijevanje čaja uvijek predstavlja problem jer se kao i sve druge tekućine, obično lijepi za izljev čajnika umjesto da teče izravno u šalicu. “Efekt čajnika” već je godinama prijetnja besprijekorno bijelim stolnjacima pa su si i znanstvenici dali truda da ga pokušaju objasniti, onako iz svog kuta gledanja, prikazano brojkama, dijagramima i stručnim izrazima. Ovdje je izložen jednostavan prikaz ovog znanstveno složenog problema, a za one koje žele detalje na kraju su dane reference i linkovi.
Unatoč njegovoj sveprisutnosti, razumijevanje učinka čajnika pokazalo se posebno teškim. Gotovo tri stoljeća nakon prve studije, danas je prihvaćeno da prianjanje između tekućine i krute tvari dolazi od kombinacije vlaženja i prisutnosti udubljenja u tekućini koja se brzo kreće – slično onom iznad krila aviona koji omogućuje zrakoplovu letjeti. Međutim, nijedna teorija nije uspjela precizirati kada se prianjanje događa.
Povijest problema
Iako problem egzistira vjerojatno od izrade prve posude za čaj, “efekt čajnika” prvi je, sa znanstvenog stajališta opisao Markus Reiner 1956. Reiner je doktorirao na TU Wien 1913., a zatim je emigrirao u SAD, gdje je postao važan pionir reologije – znanosti o ponašanju protoka. Iznova i iznova, znanstvenici su pokušavali precizno objasniti ovaj učinak. Rad na ovu temu nagrađen je satiričnom “IG Nobelovom nagradom” 1999.
Deset godina nakon toga, problem je obradio tim znanstvenika iz Francuske, sa Sveučilišta u Lyonu, Stručnjaci za dinamiku fluida. Tim znanstvenika sa Sveučilišta u Amsterdamu, Sveučilišta Twente i Sveučilišta primijenjenih znanosti Saxion dao je novi obrat ovom upornom ‘učinku čajnika’ tako što su ga istraživali formiranjem tekućih spirala u boji. Njihovi rezultati objavljeni su u Physical Review Letters. I konačno, istraživanje o efektu čajnika završava svoj puni krug 2021. godine, s timom oko dr. Bernharda Scheichla u Reinerovoj alma mater, TU Wien, predavač na Institutu za mehaniku fluida i prijenos topline i ključni znanstvenik u Austrijskom centru izvrsnosti za tribologiju (AC2T research GmbH), u suradnji s Odjelom za matematiku na University College London, koji u potpunosti i detaljno opisuje”efekt čajnika” razrađenom teoretskom analizom i brojnim eksperimentima.
Što znanost kaže?
Međudjelovanje različitih sila izravno zadržava malenu količinu tekućine na rubu, a to je dovoljno za preusmjeravanje tijeka tekućine pod određenim uvjetima.
Ako se tekućina iz čajnika izlijeva presporo, tada se tok tekućine ponekad ne odvaja od čajnika, pronalazeći put u šalicu, već kaplje dolje preko vanjske strane čajnika.
“Iako je ovo vrlo čest i naizgled jednostavan učinak, iznimno ga je teško točno objasniti u okviru mehanike fluida”, kaže Bernhard Scheichl. Oštar rub na donjoj strani kljuna čajnika igra najvažniju ulogu: stvara se kapljica, a područje neposredno ispod ruba uvijek ostaje mokro. Veličina te kapi ovisi o brzini kojom tekućina istječe iz čajnika. Ako je brzina niža od kritičnog praga, ovaj pad može usmjeriti cijeli tijek oko ruba i kapnuti na vanjsku stjenku čajnika.
“Sada smo po prvi put uspjeli pružiti potpuno teorijsko objašnjenje zašto nastaje ova kap i zašto donja strana ruba uvijek ostaje mokra”, kaže Bernhard Scheichl. Matematika iza toga je komplicirana – to je međuigra inercije, viskoznih i kapilarnih sila. Inercijska sila osigurava da tekućina nastoji zadržati svoj izvorni smjer, dok kapilarne sile usporavaju tekućinu točno na kljunu. Interakcija ovih sila osnova je efekta čajnika. Međutim, kapilarne sile osiguravaju da učinak počinje samo pod vrlo određenim kontaktnim kutom između stijenke i površine tekućine. Što je ovaj kut manji ili što je materijal čajnika hidrofilniji (tj. vlažniji), to je odvajanje tekućine od čajnika sporije.
Zanimljivo je da snaga gravitacije u odnosu na ostale sile koje se javljaju ne igra presudnu ulogu. Gravitacija samo određuje smjer u kojem je mlaz usmjeren, ali njegova snaga nije presudna za učinak čajnika. Efekt čajnika bi se stoga također primijetio kada se čaj pije na mjesečevoj bazi, ali ne i na svemirskoj stanici bez gravitacije.
Teorijske izračune o učinku čajnika objavio je istraživački tim u rujnu 2021. u časopisu Journal of Fluid Mechanics. Sada su također provedeni eksperimenti: voda se izlijevala iz nagnutog čajnika s različitim brzinama protoka i snimala brzim kamerama. Na taj je način bilo moguće točno pokazati kako vlaženje ruba ispod kritične brzine izlijevanja dovodi do “efekta čajnika”, čime je potvrđena teorija.
Više o ovom istraživanju pogledajte ovdje.
Rješenje
Sva istraživanja o učinku čajnika otkrila su da se pri većim brzinama protoka sloj tekućine najbliži površini izljeva čajnika odvaja od njega i tekućina teče glatko. Pri niskim brzinama protoka dolazi do odvajanja tijeka u kojem se granični sloj ponovno pričvršćuje na površinu umjesto da teče preko nje, uzrokujući zaustavljanje i pokretanje protoka; drugim riječima podlijeva, kaplje, slini. Čimbenici koji utječu na to koliko čajnik podlijeva:
- promjer izljeva i oštrina ruba izljeva
- materijal čajnika-njegova hidrofobnost (o vrsti materijala ovisi koliko se tekućina “lijepi” za sam materijal)
- brzina protoka/kut izlijevanja
Jedan od načina za izbjeći kapanje je da se rub izljeva učini što tanjim (kao u metalnim čajnicima, koji rijetko kapaju), dok je krajnji način da zauvijek okončate učinak čajnika, korištenje tankim izljevom oštrih krajeva i premazivanjem ruba izljeva jednim od najnovijih superhidrofobnih materijala (crna čađa jedan je od tradicionalnih materijala). Ovi materijali snažno odbijaju vodu i sprječavaju da se čaj zalijepi za materijal čajnika. Postoji stari trik razmazivanja maslaca po izljevu kako bi čajnik prestao podlijevati, naravno uz uvjet da vam okus maslaca ne kvari okus čaja. Možda bi trebalo probati s medom? Med i čaj vrlo dobro se slažu, no koliko je med hidrofoban? Ovo ćemo ostaviti za neki drugi post.
Jedno od rješenja može biti i postavljanje posebnog pomagala u izljev čajnika. Postavljanjem tanke, metalne, lisnate oprugice u izljev čajnika postiže se precizno usmjeravanje mlaza tekućine. Detalje pogledajte u videu:
How to Trick Your Teapot!~DIY Drip Free Forever!
Zaključak
Uklanjanjem jednog od navedenih “krivaca” za kapanje smanjujete efekt čajnika. Uklonite li sve, imat će te ugodnu čajnu seansu i sav čaj iz čajnika završit će tamo gdje treba.
Koje su ostale karakteristike čajnika važne pri njegovom odabiru pročitajte u:
KAKO ODABRATI PRAVI ČAJNIK ZA SAVRŠENO PRIPREMLJENI ČAJ
ZNATE LI U KOJIH 6 POSUDA MOŽETE PRIPREMITI ČAJ?
Reference
How To Pour From A Teapot Without Dripping According To Scientists
Drip-Free Forever! How to Cure Your Dribbling Teapot! Spouts/Tea/Coffee/Pots
HR 
EN