Почему при размешивании чая чаинки собираются в центре чашки?

19 Янв
2015

Почему при перемешивании такого напитка, как листовой чай, чаинки тем активнее собираются в центре чашки, чем быстрее мешаешь?

Интуиция подсказывает, что заварка должна разлетаться по краям, а не собираться в центре, верно? Поскольку чайный лист не обладает сверхъестественными свойствами, несмотря на все уверения ярмарочных фокусников, придется искать истину научными методами.

Что понадобится:

  • рассыпной чай;
  • чашка или кружка;
  • горячая вода;
  • ложка.

Что делать? Положите заварку в чашку, залейте водой, перемешайте и посмотрите, что произойдет. Если вас замучила жажда, получившийся напиток можно выпить (только добавьте лимон, сахар или молоко по вкусу). Тем, кто привык к чаю в пакетиках, придется мириться с плавающей в чашке заваркой и процеживать ее сквозь зубы.

Что можно наблюдать? Все всплывшие чаинки будут двигаться к центру чашки, как только вы начнете мешать чай. Если увеличить скорость перемешивания, возрастет и скорость движения чаинок к центру.

Что происходит? Ответ заключается в балансе давления и интенсивности движения во вращающейся жидкости. Чтобы жидкость, вращение в которой создано путем перемешивания, не выплескивалась за края чашки, а оставалась внутри, сила инерции, возникшая при вращении, должна компенсироваться перепадом давления в жидкости. Давление в центре чашки минимально, а по мере продвижения к стенкам растет. Представьте себе груз, который раскручивают на конце веревки: напряжение в веревке мешает грузу сорваться и отлететь в сторону. Это напряжение — аналог перепада давления в чае.

Когда мы размешиваем жидкость, то направляем ее от центра, при этом повышается давление вдоль краев чашки и понижается в центре. Отчетливо видно, как вращается жидкость, поскольку в центре на ее поверхности образуется воронка. В сущности, если бы не сдерживающие стенки чашки, жидкость растеклась бы по всему столу. Любые частицы, плотность которых меньше плотности окружающей жидкости, будут двигаться к центру чашки и к области наименьшего давления.

Это объяснение имеет смысл, причем к центру движутся даже более тяжелые объекты. Попробуйте уронить в жидкость пригоршню ядрышек арахиса или даже мелких камешков (с фарфоровыми чашками из парадного сервиза такие опыты лучше не проводить), и вы увидите, что они скапливаются ближе к центру жидкости, которую вы помешиваете.

Шероховатое дно чашки создает больше давления, чем стенки, поскольку жидкость вращается параллельно поверхности дна. Наименьшим трение будет на границе воздуха и вращающейся жидкости, поэтому здесь она движется быстрее. Давление на поверхности превысит давление на дне чашки. В итоге формируется направленный поток: в результате помешивания жидкость циркулирует от поверхности вниз, ближе к стенкам чашки, затем по дну и снова поднимается в центре чашки. Этот поток увлекает чаинки и мелкие камушки и перемещает их, пока они не оседают в центре дна чашки, в зоне наименьшего давления. Свою роль играет и сила тяжести: поскольку жидкость не в состоянии собраться горкой на дне чашки и потому продолжает двигаться, ось вращения постепенно смещается к поверхности, тяжелые частицы удерживает вблизи дна низкое давление в сочетании с силой земного притяжения.

Физики называют это скопление частиц эффектом пограничного слоя. Описанные выше свойства придает чашкам шероховатое дно, и, если вы возьмете для опыта посуду, шероховатость которой ниже, чем у обычных чашек, вы заметите, что эффект в ней менее выражен.

P.S. В вашей чашке действуют такие же силы, как те, под действием которых в ветреные дни на улице возникают вихри из скопившегося мусора.


 

Комментарии:

наверх