Pas de dribble: la physique peut aider à combattre cet «effet théière» embêtant

Les buveurs de thé savent trop bien que le goulot de la marmite dribble ennuyeux et se produit si souvent quand on verse une belle tasse de thé rafraîchissante. C'est même connu comme "l'effet théière", et cela se produit généralement lorsque le thé est versé trop lentement. Les potiers conçoivent généralement leurs pots en donnant au bec une fine lèvre, par exemple, pour réduire les risques de dribbles, en se basant sur des siècles de connaissances acquises issues d'essais et d'erreurs.

À présent, un groupe de physiciens néerlandais a mis au point un modèle quantitatif permettant de prédire avec précision le débit précis de la quantité (ou du degré) de coulée d’une théière au cours de la coulée, décrite dans un article récent de Physical Review Letters. Le modèle décrit avec précision à la fois l'effet de théière simple et le comportement plus complexe, notamment la formation d'une hélice lorsque le courant d'eau tourbillonne autour d'un cylindre. Cela devrait être une aubaine, non seulement pour la conception de la théière, mais aussi pour l’impression 3D et les applications industrielles similaires, qui souffrent également de dribbles peu pratiques.

Les physiciens ont longtemps été fascinés par le phénomène. Le regretté ingénieur et mathématicien de Stanford, Joseph B. Keller, s'est un jour souvenu d'avoir assisté à une conférence donnée par un scientifique israélien, qui avait expliqué qu'il avait posé la question de savoir pourquoi des théières dribblaient cent physiciens. Tous ont estimé que cela devait être dû à la tension superficielle, mais lorsque le scientifique israélien a effectué des expériences pour tester cette théorie, cela n'a pas été le cas.

Intrigué, Keller a mené sa propre enquête et a conclu que le ruissellement était en réalité dû à la pression atmosphérique. Avec un collègue, Jean-Marc Vanden-Broeck, il a publié un article en 1986, qui lui a valu un prix Ig Nobel en 2012. "C’est simplement qu’au niveau du bec verseur, la pression dans le liquide est inférieure à la pression dans l'air ambiant ", a déclaré Keller à l'Etsy Journal en 2013 (il est décédé en 2016). "Donc, la pression atmosphérique pousse le thé contre la lèvre et contre l'extérieur du bec."

Dans le jargon de la physique, à des débits plus élevés, la couche de fluide la plus proche du bec de la théière se détache, ce qui la rend fluide et ne coule pas. À des débits plus faibles, lorsque la séparation des flux se produit, il se rattache à la surface du bec, ce qui entraîne un écoulement dribble.

Le diamètre du bec, la courbure de la lèvre et la "mouillabilité" (la préférence d'un liquide pour être en contact avec un solide entouré d'un autre fluide) de la matière de la théière sont aussi des facteurs qui peuvent affecter ou non la bouilloire s'égoutte. Mais ils ne sont pas les principaux coupables. Dans un article de 2010, une équipe de physiciens français de l'Université de Lyon a démontré que la cause réelle du dribble est une sorte d '"effet hydro-capillaire" qui empêche (à des vitesses de coulée plus faibles) le liquide de se détacher du bec pendant une période prolongée. flux lisse et propre. Tous les autres facteurs jouent un rôle dans la détermination de la force de cet effet hydro-capillaire.

Comme c'est souvent le cas, cette dernière étude est née d'un scientifique curieux qui remarquait quelque chose de bizarre et essayait de trouver une explication. Étudiant postdoctoral à l'Université d'Amsterdam, Etienne Jambon-Puillet nettoyait un jour les seringues avec une bouteille giclée au laboratoire et était fasciné par la façon dont le liquide s'enroule autour de l'aiguille cylindrique pour former une sorte de structure en hélice. "Je voyais [le courant d'éthanol] tourbillonner autour de l'aiguille, et je me disais:“ Oh wow, c'est incroyable ”», a-t-il déclaré à Physics Buzz.

Une lecture rapide de la littérature existante sur la physique ne fournit aucun modèle véritablement viable pour expliquer le phénomène, aussi décide-t-il de faire "une expérience appropriée". Et il a recruté des collègues des universités d'Amsterdam, Twente et Saxion pour l'aider. Ils ont installé une série de cylindres verticaux (un ensemble en verre et l'autre en téflon) et leur ont jeté des jets d'eau colorée, enregistrant comment le liquide se comportait à des débits variables.

Ils ont constaté que les jets d'eau restaient rectilignes à des débits élevés et que, à mesure que ce débit diminuait, l'eau commençait à se dévier légèrement. À des débits encore plus faibles, l'eau a commencé à s'enrouler et à "s'accrocher" à la surface cylindrique avant de s'enrouler en spirale pour former une hélice, un peu comme l'éthanol autour de l'aiguille ce jour-là dans le laboratoire de Jambon-Puillet. Apparemment, c'est dû à un couplage entre succion hydrodynamique et mouillage.

Par bourdonnement physique:

La succion hydrodynamique est le même effet qui maintient un avion dans le ciel ou une balle en vol stationnaire au-dessus d'une souffleuse à feuilles. [Il] apparaît là où un fluide - qui peut être un gaz ou un liquide - tente de se déplacer au-delà d'une surface incurvée dans un écoulement laminaire (ligne droite); la courbure du solide interrompt le flux et crée une chute de pression qui aspire le fluide. Le mouillage se déclenche dès que le flux rencontre la surface du cylindre lorsque les molécules situées sur les bords extérieurs du flux interagissent avec le solide, de la même manière que l'eau se forme. un ménisque dans un tube à essai. C'est la combinaison de cette force et de la succion hydrodynamique qui maintient le liquide lié au cylindre alors qu'il tourbillonne vers le bas.

Leur nouveau modèle prédit avec précision le moment où cette transition cruciale consistant à "coller" plutôt que de se détacher d'une surface solide comme le cylindre (ou l'écoulement de thé) se produira.

EST CE QUE JE: Lettres d'examen physique, 2019. 10.1103 / PhysRevLett.122.184501 (À propos des DOI).

Voir la vidéo: Lionel MESSI, "Ne me dribble pas" - Omar Da FONSECA (Décembre 2019).