찻주전자 효과

Teapot effect

드리블로도 알려진 찻주전자 효과는 용기에서 쏟아진 액체가 [1]호 모양으로 흘러 나오는 대신 주둥이나 용기의 몸체를 따라 흐를 때 발생하는 유체 역학 현상이다.

Markus Reiner는 1956년에 "찻주전자 효과"라는 용어를 만들어 [2][3]액체가 부을 때 용기의 측면에 떨어지는 경향을 묘사했다.라이너는 1913년 TU Wien에서 박사학위를 받았으며 유동학으로 [1]알려진 흐름 거동의 연구에 큰 기여를 했다.라이너는 차 주전자의 효과가 베르누이의 원리에 의해 설명될 수 있다고 믿었는데 베르누이는 유체의 속도가 증가하면 항상 압력의 감소가 수반된다고 말했다.찻주전자에서 차를 따를 때, 좁아진 주둥이를 통해 액체의 속도가 빨라진다.이 압력의 감소는 라이너가 [4][3]냄비 옆으로 액체가 흘러내리는 것으로 생각한 것입니다.그러나 2021년 연구에서는 현상의 주된 원인이 관성과 모세관력의 [3]상호작용이라는 것을 발견했다.이 연구는 용기 벽과 액체 표면 사이의 각도가 작을수록 찻주전자 효과가 [5]더 느려진다는 것을 발견했다.

조사.

1950년경, 하이파에 있는 테크니온 연구소(이스라엘)와 뉴욕 대학의 연구원들은 [6]이 효과를 과학적으로 설명하려고 노력했다.사실, 이 효과에 기여하는 두 가지 현상이 있습니다: 한편으로, 베르누이 방정식은 그것을 설명하기 위해 사용되지만, 반면 액체와 주둥아리 물질 사이의 접착력 또한 중요합니다.

베르누이 설명에 따르면 분출 시 주출구 안쪽 가장자리에 액체가 압착되는 것은 끝부분인 가장자리의 압력조건이 크게 변화하기 때문이다.주출구 쪽으로 액체가 밀어내기 때문이다.적절한 포트 형상(또는 충분히 높은 주입 속도)의 도움을 받아 액체가 주출구에 도달하여 차주전자 효과를 트리거하는 것을 방지할 수 있습니다.유체역학의 법칙(흐름 이론)은 이러한 상황을 설명하고 있으며, 관련 법칙은 다음 절에서 설명합니다.

접착력도 작용하므로 주둥이의 재료 또는 액체 유형(예: 물, 알코올 또는 기름)도 차주전자 효과의 발생과 관련이 있습니다.

코안더 효과는 때때로 이 [7][8][9][10]맥락에서 언급되지만, 과학 문헌에서는[8] 거의 인용되지 않기 때문에 정확하게 정의되지 않는다.종종 여러 가지 다른 현상들이 이 한 가지에 섞여 있는 것처럼 보인다.

연속 방정식

유체역학에서, 흐르는 액체의 거동은 유동선으로 설명된다.흐름 자체와 같은 방향으로 흐릅니다.유출액이 가장자리에 닿으면 흐름이 더 작은 단면으로 압축된다.가상 단면(흐름에 수직)의 위치에 관계없이 액체 입자의 유속이 일정하게 유지되어야만 끊어지지 않습니다.따라서 같은 양의 질량이 하나의 단면적을 통해 다른 단면적을 통해 유입되어야 합니다.이것으로 결론지을 수 있지만 실제로는 흐름은 병목현상에서 가속화되고 합리화는 번들된다는 것을 알 수 있습니다.이 상황에서는 비거동 흐름의 연속성 방정식이 설명됩니다.

베르누이 방정식

하지만 유속을 바꾸면 유량 내의 압력 조건은 어떻게 됩니까?과학자 다니엘 베르누이는 18세기 초에 이 문제를 다루었다.위에서 설명한 연속성에 대한 고려사항을 바탕으로 압력과 속도의 두 양을 연결했다.베르누이 방정식의 핵심 진술은 속도가 증가하면 액체의 압력이 떨어진다는 것이다(그리고 그 반대도 마찬가지이다.베르누이와 벤추리에 따라 흐른다.

영향

통조림 주둥이의 가장자리에서 흐름의 압력이 감소합니다.그러나 흐름의 바깥쪽 기압은 어디에서나 동일하기 때문에 액체를 가장자리로 밀어내는 압력차가 있습니다.사용된 재료에 따라 이제 주입구 바깥쪽이 흐름 과정에서 젖게 됩니다.이 때, 추가적인 계면 힘이 발생합니다. 액체는 주둥이를 따라 좁은 세류처럼 흐르고 아래에서 분리될 때까지 흐를 수 있습니다.

원치 않는 찻주전자 효과는 천천히 조심스럽게 [6]따를 때만 발생합니다.급속 주입 시에는 액체가 방울방울이 떨어지지 않고 아크로 주출구에서 흘러나오기 때문에 액체가 가장자리에서 멀어지는 속도가 상대적으로 높아집니다(토리첼리 유출 속도 참조).베르누이 방정식의 결과 압력 차이는 액체가 주입구 가장자리 주위로 밀릴 정도로 흐름에 영향을 미치기에 충분하지 않습니다.

흐름 조건을 수학적으로 설명할 수 있기 때문에 임계 유출 속도도 정의된다.부을 때 아래로 떨어지면 냄비에 액체가 흘러내리고, 뚝뚝 떨어집니다.이론적으로 이 속도는 특정 캔 형상, 현재 공기 압력 및 캔의 충전 수준, 주입구 재료, 액체의 점도 및 주입 각도에 대해 정밀하게 계산할 수 있습니다.충전 수준과는 별도로, 대부분의 영향 변수는 변경할 수 없기 때문에(적어도 실제로는 충분히 정밀하지 않음), 일반적으로 주전자의 효과를 피하는 유일한 방법은 주전자에 적합한 형상을 선택하는 것입니다.

또 다른 현상은 가스 분자의 혼입(일면 워터 제트 펌핑 효과)에 의해 주출구와 액체 분출구 사이의 공기 압력이 감소하여 반대쪽 기압이 액체 분출구를 주출구 쪽으로 밀어내는 것이다.그러나 차를 따를 때 흔히 나타나는 상태에서는 이 효과가 거의 나타나지 않는다.

결과

포트 예시

좋은 주전자에는 유행에 관계없이 가장자리가 찢어져 있는 주둥이(둥근 가장자리가 없는 것)가 있어야 하며, 가장자리를 돌기가 더 어렵습니다.그리고 더욱 중요한 것은 가장자리 이후 주둥이부터 위로 향해야 한다는 것입니다(항아리가 있는 위치에 관계없이).그 결과 주입 시 주출구 가장자리를 돌면 액체가 위쪽으로 흐르지만 중력에 의해 이를 방지할 수 있다.따라서 천천히 부어도 젖지 않고 주둥이의 아래쪽으로 기울어진 부분과 주둥이의 본체에 액체가 닿지 않습니다.

왼쪽 이미지는 주입 동작이 불량한 세 개의 용기입니다.테이블 위에 서 있는 수평 위치에서도 주둥이의 아래쪽 가장자리가 [6]위쪽으로 향하지 않습니다.뒷면에는 선단이 잘 형성되어 있어 흐름 특성이 좋은 4개의 선박이 있습니다.여기서 액체는 주둥이의 아래쪽 가장자리에서 45°[6] 미만의 각도로 솟아오른다.부분적으로는, 이것은 정상적인 최대 충전 레벨을 고려할 때에만 명백해집니다. 예를 들어, 맨 오른쪽에 있는 유리 카르페는 목이 가늘기 때문에 언뜻 보기에 주머니가 부실해 보입니다.그러나 이러한 용기는 일반적으로 플라스크의 원형부 가장자리까지 충전되기 때문에 수평으로 주입할 때 목 부분의 상승이 유리하다.부을 때 액체의 위쪽 각도.두 개의 하부 저그(jug)가 오른쪽에 있는 경우, 주입구의 높은 위치(최대 주입 레벨 이상)는 주입하기 전에 용기를 상당히 기울여야 하므로 주입구도 가장자리 직후(중력 반대)에 밀어 올릴 수 있습니다.를 나타냅니다.

찻주전자 효과를 피하려면 냄비에 물을 적게 채워 처음부터 크게 기울일 필요가 있습니다.그러나 효과 또는 이상적인 채우기 수준은 캔 형상에 따라 달라집니다.

병을 따를 때 병의 가느다란 목이 항상 위쪽으로 향하기 때문에 주전자 효과가 발생하지 않습니다. 따라서 전류가 "오름길"[6]을 한참 지나야 합니다.따라서 병 모양의 용기는 실험실의 액체 화학 물질에 자주 사용됩니다.또한 특정 재료는 유리를 쉽게 형성하거나 갈아서 가장 날카로운 모서리를 만들 수 있는 유리나 위에서 설명한 접착 효과를 감소시키는 테프론 등 물방울을 방지하기 위해 사용됩니다.

드립 캐처

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ a b "Why Teapots Always Drip – Scientists Finally Explain the "Teapot Effect"". SciTechDaily. Vienna University of Technology. 2022-01-09. Archived from the original on 2023-01-12. Retrieved 2022-07-02.
  2. ^ Reiner, Markus (September 1956). "The teapot effect...a problem". Physics Today. American Institute of Physics. 9 (9): 16. doi:10.1063/1.3060089. Retrieved 2023-01-28. (1페이지)
  3. ^ a b c Ouellette, Jennifer (2021-11-10). "Dribble, dribble, dribble — Physicists say they've finally solved the teapot effect—for real this time - Is due to interplay of inertial viscous capillary forces—but gravity's less relevant". Ars Technica. Archived from the original on 2023-01-28. Retrieved 2022-07-02.
  4. ^ Keller, Joseph Bishop (1957). "Teapot Effect" (PDF). Journal of Applied Physics. 28 (8): 859–864. doi:10.1063/1.1722875. Archived (PDF) from the original on 2022-03-13. Retrieved 2023-01-28. [1] (6페이지)
  5. ^ 베른, 베른, 베른, 로버트 I. P.P.2021-09-109-109-109-109-109-109-109-09-09-09-0"개발 액체 필름은 평활하고 쐐기 모양의 후, 작은 레이놀즈 번호 분석과 쐐기 효과'를 통과시켰다.유체 역학 저널리스트케임브리지 대학교를 누릅니다.926: A25-1-4, S1-40, S12.1017/J12.112.112.112.IS 0022-112022-1120입니다.S2CID 235444365.43652023-128년부터28년까지 보관되었다.2023-01-28-01-28 [2] (40+12페이지)
  6. ^ a b c d e Dittmar-Ilgen, Hannelore (2007) [2006, 2004]. "Immer Ärger mit tröpfelnden Kannen". Wie der Kork-Krümel ans Weinglas kommt - Physik für Genießer und Entdecker (in German) (1 ed.). Stuttgart, Germany: S. Hirzel Verlag [de]. pp. 21–25. ISBN 3-7776-1440-8. ISBN 978-3-7776-1440-3. (4페이지 이상)
  7. ^ Reba, Imants (June 1966). "Applications of the Coanda Effect". Scientific American. Vol. 214, no. 6. pp. 84–92. Bibcode:1966SciAm.214f..84R. doi:10.1038/scientificamerican0666-84. JSTOR 24930967. Retrieved 2023-01-28. (9페이지)
  8. ^ a b Reiner, Markus (May 1967). "Teapot means Coanda". Letters. Physics Today. American Institute of Physics. 20 (5): 15. doi:10.1063/1.3034300. Retrieved 2023-01-28. (1페이지)
  9. ^ Reiner, Markus (1969). Deformation, Strain and Flow - An Elementary Introduction To Rheology (3 ed.). H. K. Lewis & Co. ISBN 0-71860162-9. (347페이지)
  10. ^ Zigler, 알프레드, 루스키, 1999년 루스키, 1999]."죽식 디자인 플라워스 플리센스(, )는 중화인민공화국의 nd und " bestenü phyen beung"z zungsle als flte un desdiesetrich:ung strgens뤼지/피식(B)는 독일의 피치식(북, )는 독일의 피치식(북, )는 독일(북, )는 독일의 물리학자이다.아르쿠르페스트()는 카스칼로티케어, 549-2552-549-2552-2552를 기록했다.2023년부터 2023년까지 보관되었다.2023-129-01-29-01-29.코무슨()(Bek)의 "K 카페인이)의 효과" (NBek)의 효과보다)를 말한다.

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