Warum Teekannen immer tropfen
Physik-News vom 08.11.2021
Strömungsmechanische Analysen der TU Wien beantworten eine alte Frage: Wie kommt es zum sogenannten „Teapot-Effekt“? Der „Teapot-Effekt“ wurde schon vielen blütenweißen Tischtüchern zum Verhängnis: Wenn man eine Flüssigkeit zu langsam aus einer Kanne ausgießt, dann kann es passieren, dass sich der Flüssigkeitsstrom nicht sauber von der Kanne löst und seinen Weg in die Teetasse findet, sondern stattdessen entlang der Kanne nach unten rinnt.
Seit Jahrzehnten wird dieses Phänomen wissenschaftlich untersucht – nun gelang es einem Forschungsteam der TU Wien mit einer aufwändigen theoretischen Analyse und zahlreichen Experimenten, den „Teapot-Effekt“ vollständig und detailliert zu beschreiben: Ein Zusammenspiel verschiedener Kräfte sorgt für eine minimale Benetzung direkt an der Kante, und sie reicht aus, um unter bestimmten Bedingungen den Flüssigkeitsstroms umzuleiten.
Ein Effekt mit langer Geschichte
Erstmals beschrieben wurde der „Teapot-Effekt“ von Markus Reiner im Jahr 1956. Reiner promovierte an der TU Wien im Jahr 1913 und emigrierte dann in die USA, wo er zu einem wichtigen Pionier der Rheologie wurde – der Wissenschaft vom Fließverhalten. Immer wieder gab es Versuche, diesen Effekt präzise zu erklären. Arbeiten zu diesem Thema wurden 1999 mit dem satirischen „IG-Nobel-Preis“ ausgezeichnet. Nun schließt sich der Kreis, indem der Teapot-Effekt an Reiners Alma Mater, der TU Wien, erneut unter die Lupe genommen wurde – von einem Team rund um Dr. Bernhard Scheichl, Dozent am Institut für Strömungsmechanik und Wärmeübertragung und Key Scientist am Österreichischen Exzellenzzentrum für Tribologie (AC2T research GmbH), in Kooperation mit dem Department of Mathematics am University College London.
Publikation:
B. Scheichl, R.I. Bowles and G. Pasias
Developed liquid film passing a smoothed and wedge-shaped trailing edge: small-scale analysis and the ‘teapot effect’ at large Reynolds numbers
J. Fluid Mech., 926 Published online by Cambridge University Press
„Obwohl es sich um einen ganz alltäglichen und scheinbar simplen Effekt handelt, ist es bemerkenswert schwierig, ihn im Rahmen der Strömungsmechanik exakt zu erklären“, sagt Bernhard Scheichl. Entscheidend ist die scharfe Kante an der Unterseite des Teekannen-Schnabels: Dort bildet sich ein Tropfen, die Stelle direkt unterhalb der Kante bleibt stets benetzt. Die Größe dieses Tropfens hängt davon ab, mit welcher Geschwindigkeit die Flüssigkeit aus der Kanne fließt. Wenn eine bestimmte Geschwindigkeit unterschritten wird, kann dieser Tropfen dafür sorgen, dass der gesamte Strahl um die Kante herum gelenkt wird und an der Teekanne nach unten abfließt.
„Uns ist es nun erstmals gelungen, eine vollständige theoretische Erklärung dafür zu liefern, warum sich dieser Tropfen bildet und die Unterseite der Kante immer benetzt bleibt“, sagt Bernhard Scheichl. Die Mathematik dahinter ist kompliziert – es handelt sich um ein Zusammenspiel aus Trägheit, viskosen und kapillaren Kräften. Die Trägheitskraft sorgt dafür, dass die Flüssigkeit die Tendenz hat, ihre ursprüngliche Richtung beizubehalten, die Kapillarkräfte hingegen bremsen die Flüssigkeit an der Schnabeloberfläche ab. Das Zusammenspiel dieser Kräfte ist die Grundlage des Teapot-Effekts. Allerdings sorgen die Kapillarkräfte dafür, dass der Effekt nur ab einem ganz bestimmten Kontaktwinkel zwischen Wand und Flüssigkeitsoberfläche auftritt. Je kleiner dieser Winkel ist oder je hydrophiler (also benetzbarer) das Material des Schnabels ist, umso stärker wird die Ablösung der Flüssigkeit vom Schnabel gebremst.
Tee im Weltraum
Interessanterweise spielt die Stärke der Schwerkraft im Verhältnis zu den anderen auftretenden Kräften dabei keine entscheidende Rolle. Die Schwerkraft legt bloß die Richtung fest, in die der Strahl gelenkt wird, ihre Stärke ist für den Teapot-Effekt aber nicht entscheidend. Beim Teetrinken auf einer Mondbasis wäre der Teapot-Effekt also auch zu beobachten, auf einer Raumstation völlig ohne Schwerkraft hingegen nicht.
Die theoretischen Berechnungen zum Teapot-Effekt publizierte das Forschungsteam im September 2021 im Fachjournal „Journal of Fluid Mechanics“. Nun wurden auch noch Experimente durchgeführt: Mit unterschiedlichen Durchflussraten wurde Wasser aus einer geneigten Teekanne gegossen und mit Spezialkameras gefilmt. So konnte man genau zeigen, wie die Benetzung der Kante unterhalb einer kritischen Ausgussgeschwindigkeit zum „Teapot-Effekt“ führt, die Theorie wurde somit bestätigt.
Diese Newsmeldung wurde mit Material der Technischen Universität Wien via Informationsdienst Wissenschaft erstellt.
