Hvorfor langsomt hældende kaffe gør et tårn af væske i din kop

Når en dråbe kaffe rammer væskeoverfladen i koppen, et karakteristisk tårn af kaffe dannes i meget kort tid, nogle gange endda med en ny dråbe ovenpå. I et blad, der udkom i Fysisk gennemgangsvæske i dag, et team af forskere fra Amsterdam, Delft og Paris kaster nyt lys over denne indviklede effekt.

Effekten af ​​jetdannelse er ikke særlig for kaffe:Den samme effekt kan ses for eksempel, når en regndråbe rammer en dam. Når i stedet for kaffe, en dråbe mælk tabes på en kaffeoverflade, en anden interessant effekt observeres:væsketårnet vil for det meste være hvidt. Det er, det er ikke kaffen, der sprøjter opad, det er mælken, der 'studser tilbage'.

Ikke kun tyngdekraften

Cees van Rijn, hovedforfatter af den nye publikation, siger:"En grov forklaring på den stråledannende effekt har været kendt i lang tid. Når en dråbe rammer væskeoverfladen, overfladen kan få et midlertidigt "slagkrater." Når væsken er fløjet tilbage til midten af ​​dette krater, den har ingen andre steder at gå end op, det er sådan, strålen dannes."

Imidlertid, trods mere end et århundredes forskning, de præcise detaljer om processen var stadig uklare. I særdeleshed, at forstå den varierende hastighed, hvormed jetflyet bevæger sig opad, var lidt af en gåde. Da forskerne undersøgte forskellige væsker ved hjælp af laserlys og hurtige kameraer, de fandt ud af, at lige efter dannelsen, hastigheden i jetflyene sænkes med en utrolig hastighed. Van Rijn:"Man kunne forvente, at hovedårsagen til, at jetflyet bremser, er på grund af tyngdekraften, der trækker væsken nedad. vi observerede, at lige efter dannelsen, decelerationen kan være fem til endda tyve gange stærkere, end det kan forklares af tyngdekraften alene."

Konstruktion af en model

Forskerne formodede, at den vigtigste faktor, der var ansvarlig for denne ekstreme opbremsning, var væskens overfladespænding - den samme type spænding, der tillader sæbebobler at dannes. Det ydre lag af væske på tårnet virker på samme måde som en sådan boble, og dens krumning tvinger jetflyet til at bremse og til sidst trække sig sammen - meget hurtigere end man måske havde forventet baseret på tyngdekraften alene. Van Rijn tilføjer:"Effekten er stærkest, når strålen lige er dannet. På det tidspunkt, hvor væsken har nået sit højeste punkt, situationen er i det væsentlige tilbage til normal:væsken falder tilbage med højst det dobbelte af accelerationen forårsaget af tyngdekraften, og har mistet sin sidste smule ekstra acceleration, når overfladen er nået igen. Hele den indviklede proces foregår på cirka en tiendedel af et sekund."

Med denne forklaring i tankerne, fysikerne satte sig for at skabe en matematisk model til at beskrive jetformationen. Modellen gjorde brug af en anden overraskende egenskab ved jetflyene:de ser altid nogenlunde ens ud - strålens højde og bredde varierer over tid, men derudover ændres formen ikke. Denne egenskab af 'selvlighed' gjorde det muligt for forskerne at skabe en meget præcis model, som sammenlignet med målinger på forskellige væsker såsom vand, ethanol og en blanding af vand og glycerol, matchede meget præcist alle observationerne.

Ud i rummet

Fysikerne tænker allerede på det næste trin i deres program – faktisk, de overvejer at tage eksperimenterne ud i rummet. Van Rijn:"Det ville være meget rart helt at slippe af med tyngdekraften og forstå rollen af ​​overfladespænding alene. Vi ville elske at lave vores næste sæt af eksperimenter i den internationale rumstation for at se, hvad der præcist sker i et tyngdekraftsfrit miljø ."