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Efecto tetera

Diagrama del té que cae por el pico de una tetera. El efecto tetera , también conocido como goteo , es un fenómeno de dinámica de fluidos que ocurre cuando un líquido que se vie...

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Diagrama del té que cae por el pico de una tetera.

El efecto tetera , también conocido como goteo , es un fenómeno de dinámica de fluidos que ocurre cuando un líquido que se vierte desde un recipiente corre por el pico o el cuerpo del recipiente en lugar de fluir en un arco. [ 1 ]

Teoría

El científico Markus Reiner acuñó el término "efecto tetera" en 1956 para describir la tendencia del líquido a gotear por el costado de un recipiente al verterlo. [ 2 ] [ 3 ] Reiner recibió su doctorado en la TU Wien en 1913 e hizo contribuciones significativas al desarrollo del estudio del comportamiento del flujo conocido como reología . [ 1 ] Creía que el efecto tetera podía explicarse por el principio de Bernoulli , que establece que un aumento en la velocidad de un fluido siempre va acompañado de una disminución en su presión. Cuando se vierte té de una tetera, la velocidad del líquido aumenta a medida que fluye a través del pico que se estrecha. Esta disminución de la presión era lo que Reiner pensaba que causaba que el líquido goteara por el costado de la tetera. [ 4 ] [ 3 ] Sin embargo, un estudio de 2021 encontró que la causa principal del fenómeno es una interacción de la inercia y las fuerzas capilares . [ 3 ] El estudio encontró que cuanto menor es el ángulo entre la pared del recipiente y la superficie del líquido, más se ralentiza el efecto de la tetera. [ 5 ]

Investigación

Alrededor de 1950, investigadores del Instituto Technion en Haifa (Israel) y de la Universidad de Nueva York intentaron explicar este efecto científicamente. [ 6 ] De hecho, hay dos fenómenos que contribuyen a este efecto: por un lado, se utiliza la ecuación de Bernoulli para explicarlo, y por otro lado, la adhesión entre el líquido y el material del pico también es importante.

Según la explicación de Bernoulli, al verter el líquido, este se presiona contra el borde interior del pico debido a que las condiciones de presión en el extremo, es decir, en el borde, cambian significativamente; la presión del aire circundante empuja el líquido hacia el pico. Con una geometría adecuada de la tetera (o una velocidad de vertido suficientemente alta) se puede evitar que el líquido alcance el pico y, por lo tanto, provoque el efecto de la tetera. Las leyes de la hidrodinámica (teoría del flujo) describen esta situación; las más relevantes se explican en las siguientes secciones.

Dado que la adherencia también influye, el material del pico o el tipo de líquido (agua, alcohol o aceite, por ejemplo) también son relevantes para la aparición del efecto tetera.

El efecto Coandă se menciona a veces en este contexto, [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] pero rara vez se cita en la literatura científica [ 8 ] y, por lo tanto, no está definido con precisión. A menudo, varios fenómenos diferentes parecen mezclarse en este.

Ecuación de continuidad

En hidrodinámica, el comportamiento de los líquidos en movimiento se ilustra mediante líneas de flujo. Estas discurren en la misma dirección que el flujo. Si el líquido que sale choca con un borde, el flujo se comprime en una sección transversal menor. Solo no se interrumpe si el caudal de partículas de líquido permanece constante, independientemente de la ubicación de una sección transversal imaginaria (perpendicular al flujo). Por lo tanto, la misma cantidad de masa debe entrar por una sección transversal que salir por otra. De esto se deduce, y también se observa en la realidad, que el flujo se acelera en los cuellos de botella y las líneas de corriente se agrupan. Esta situación describe la ecuación de continuidad para flujos no turbulentos.

ecuación de Bernoulli

Pero, ¿qué ocurre con las condiciones de presión en el flujo si se modifica la velocidad del mismo? El científico Daniel Bernoulli abordó esta cuestión ya a principios del siglo XVIII. Basándose en las consideraciones de continuidad mencionadas anteriormente e incorporando la conservación de la energía , relacionó las dos magnitudes: presión y velocidad. La formulación fundamental de la ecuación de Bernoulli es que la presión en un líquido disminuye donde aumenta la velocidad (y viceversa): Flujo según Bernoulli y Venturi.

Impacto

La presión del flujo disminuye en el borde del pico del envase. Sin embargo, dado que la presión del aire en la superficie exterior es la misma en todas partes, se produce una diferencia de presión que empuja el líquido hacia el borde. Dependiendo de los materiales utilizados, la superficie exterior del pico se humedece durante el flujo. En este punto, se generan fuerzas interfaciales adicionales  : el líquido fluye como un fino chorrito a lo largo del pico y del envase hasta que se desprende de la parte inferior.

El efecto de goteo indeseado solo se produce al verter lentamente y con cuidado. [ 6 ] Al verter rápidamente, el líquido sale del pico describiendo un arco sin gotear, adquiriendo así una velocidad relativamente alta con la que se aleja del borde (véase la velocidad de salida de Torricelli ). La diferencia de presión resultante de la ecuación de Bernoulli no es suficiente para influir en el flujo hasta el punto de que el líquido se desborde del borde del pico.

Dado que las condiciones de flujo pueden describirse matemáticamente, también se define una velocidad de salida crítica. Si esta cae por debajo de un valor determinado al verter el líquido, este gotea. Teóricamente, esta velocidad podría calcularse con precisión para una geometría específica del recipiente, la presión atmosférica actual, el nivel de llenado, el material del pico, la viscosidad del líquido y el ángulo de vertido. Dado que, aparte del nivel de llenado, la mayoría de las variables influyentes no pueden modificarse (al menos no con la precisión suficiente en la práctica), la única forma de evitar el efecto de goteo suele ser elegir una geometría adecuada para el recipiente.

Otro fenómeno es la reducción de la presión del aire entre la boquilla y el chorro de líquido debido al arrastre de moléculas de gas (efecto de bombeo unilateral del chorro de agua), de modo que la presión del aire en el lado opuesto empuja el chorro de líquido hacia la boquilla. Sin embargo, en las condiciones habituales al servir té, este efecto rara vez se presenta.

Consecuencia

Ejemplos de macetas

Una buena jarra, independientemente de su estilo, debe tener un pico con un borde afilado (es decir, sin bordes redondeados) para dificultar que el líquido se derrame alrededor del borde. Más importante aún, el pico debe apuntar hacia arriba (sin importar la posición en que se sostenga la jarra). De esta manera, el líquido se vertería forzado a fluir hacia arriba después de rodear el borde del pico al servir, pero la gravedad lo impide. Así, el flujo resiste la humedad incluso al verter lentamente, y el líquido no llega a la parte inclinada hacia abajo del pico ni al cuerpo de la jarra.

La imagen de la derecha muestra tres recipientes en la primera fila, con un comportamiento de vertido deficiente. Incluso en posición horizontal, es decir, apoyados sobre la mesa, los bordes inferiores de los picos no apuntan hacia arriba. [ 6 ] Detrás hay cuatro recipientes con buenas características de flujo resultantes de puntas bien formadas. Aquí, el líquido se eleva en el borde inferior del pico en un ángulo de menos de 45°. [ 6 ] En parte, esto solo se hace evidente cuando se considera el nivel máximo de llenado normal: la jarra de vidrio del extremo derecho, por ejemplo, parece a primera vista un vertido deficiente debido a su cuello delgado. Sin embargo, dado que estos recipientes generalmente se llenan como máximo hasta el borde de la parte redonda del frasco, se obtiene una elevación ventajosa en el cuello cuando se vierte horizontalmente. Con las dos jarras inferiores de la derecha, la posición alta del pico (por encima del nivel máximo de llenado) significa que el recipiente debe inclinarse bastante antes de verter, de modo que el pico también pueda empujarse hacia arriba directamente después del borde (contra la gravedad).

Para evitar el efecto de la tetera, se puede llenar menos, por lo que es necesario un ángulo de inclinación mayor desde el principio. Sin embargo, el efecto o el nivel de llenado ideal dependen, una vez más, de la geometría de la lata.

El efecto de la tetera no se produce con las botellas porque el cuello delgado de la botella siempre apunta hacia arriba al verter; por lo tanto, la corriente tendría que "fluir cuesta arriba" durante un largo trayecto. [ 6 ] Por consiguiente, los recipientes con forma de botella se utilizan a menudo para productos químicos líquidos en el laboratorio. También se utilizan ciertos materiales para evitar el goteo, como el vidrio, que se puede moldear o incluso pulir fácilmente para crear los bordes más afilados posibles, o el teflón, por ejemplo, que reduce el efecto de adhesión descrito anteriormente.

Véase también

Referencias

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