Spiegata la fisica dietro l'”effetto teiera”

L’effetto teiera è da tempo immemorabile un feroce nemico di tovaglie e vestiti, occasionalmente anche causa delle mani scottate dal tè bollente mentre viene versato: quando ciò avviene da troppo lentamente, il flusso del liquido potrebbe non staccarsi dalla teiera ed evitare la tazza, instradandosi verso il basso lungo la superficie esterna della teiera stessa.

Il fenomeno è stato per decenni oggetto di studi scientifici ma finalmente un team di ricercatori dell’Università Tecnica di Vienna (TU Wien) è finalmente riuscito a fornire una dettagliata descrizione della fisica dietro l’effetto teiera, e sono stati necessari una complessa analisi teorica nonché numerosi esperimenti: sono diverse le forze che interagendo trattengono una piccola quantità di liquido sul bordo e al verificarsi di questa circostanza in determinate condizioni il flusso del liquido finisce per reindirizzarsi laddove la sua presenza non è desiderata.

L’effetto teiera fu descritto per la prima volta da Markus Reiner nel 1956.

Reiner conseguì il dottorato proprio alla TU Wien nel 1913 per poi emigrare negli Stati Uniti, dove divenne un pioniere della reologia, la scienza che studia le caratteristiche di deformazione dei corpi soggetti a forze esterne, come lo scorrere dei fluidi. Nel corso degli anni gli scienziati hanno in più occasioni cercato di spiegare con precisione questo effetto, tanto che anche l’edizione 1999 del premio IG Nobel (destinato a studi che prima fanno sorridere, ma poi fanno riflettere) fu attribuita per una ricerca in questo ambito.

La ricerca sull’effetto teiera giunge ora a un punto di svolta grazie al team guidato dal dottor Bernhard Scheichl, docente presso l’Istituto di Meccanica dei Fluidi e Trasferimento di Calore della TU Wien, in collaborazione con il Dipartimento di Matematica dello University College di Londra.

“Sebbene si tratti di un effetto molto comune e all’apparenza semplice, è straordinariamente difficile spiegarlo con la dovuta precisione nell’ambito della meccanica dei fluidi”, illustra Scheichl. Lo spigolo vivo sulla parte inferiore del becco della teiera gioca il ruolo più importante: si forma una goccia e l’area direttamente sotto il bordo rimane sempre bagnata. Le dimensioni di questa goccia dipendono dalla velocità con cui il liquido fuoriesce dalla teiera e se la velocità è inferiore a una soglia critica, questa caduta può spostare l’intero flusso attorno al bordo fino a gocciolare sulla parete esterna della teiera.

La gravità denota scarsa influenza nel fenomeno

“Siamo ora riusciti per la prima volta a fornire una spiegazione teorica completa del motivo per il quale si forma questa goccia e perché la parte inferiore del bordo rimane sempre bagnata”, continua Scheichl. La matematica dietro il fenomeno è complicata: un’interazione fra inerzia, viscosità e capillarità.

La forza d’inerzia assicura che il fluido tenda a mantenere la sua direzione originale, mentre le forze capillari rallentano il fluido proprio in corrispondenza del becco. L’interazione di queste forze è alla base dell’effetto teiera. Tuttavia, le forze capillari assicurano che l’effetto inizi solo a un angolo di contatto molto specifico tra la parete e la superficie del liquido. Più piccolo è questo angolo o più idrofilo (cioè bagnabile) è il materiale della teiera, più rallenta il distacco del liquido dalla teiera.

È interessante notare come la gravità in relazione alle altre forze implicate non giochi un ruolo decisivo, limitandosi semplicemente a determinare la direzione in cui si dirige il getto. Ma la sua intensità non è decisiva per l’effetto teiera, che verrebbe quindi osservato anche bevendo il tè su Marte, dove la gravità è un terzo di quella terrestre, e anche sulla Luna, un sesto, ma non su una stazione spaziale in cui la gravità è del tutto assente.

La ricerca Developed liquid film passing a smoothed and wedge-shaped trailing edge: small-scale analysis and the ‘teapot effect’ at large Reynolds numbers di B. Scheichl, R.I. Bowles e G. Pasias è stata pubblicata sul Journal of Fluid Mechanics.

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