The Strange Physics of Tea Leaves Floating Upstream

Λέγεται ότι ο πραγματικός προάγγελος της επιστημονικής ανακάλυψης δεν είναι το «Εύρηκα!» αλλά «Χα... αυτό είναι αστείο…». Αυτό βεβαίως αποδείχτηκε ότι ισχύει για τον Sebastian Bianchi:ένα απλό φλιτζάνι τσάι τον οδήγησε σε μερικές ενδιαφέρουσες, αντίθετες διαισθητικές γνώσεις σχετικά με την επιφανειακή τάση του νερού.

Όταν ήταν πτυχιούχος φυσικής στο Πανεπιστήμιο της Αβάνας στην Κούβα το 2008, ο Bianchi παρατήρησε κάτι ασυνήθιστο καθώς έφτιαχνε ένα φρέσκο ​​φλιτζάνι mate — ένα δημοφιλές (και ισχυρό) τσάι της Νότιας Αμερικής. Η προετοιμασία του mate περιλαμβάνει το ρίξιμο ζεστού νερού πάνω από τα φύλλα mate που είναι συσκευασμένα σε ένα φλιτζάνι και τα αφήνετε να βράσουν απότομα. Γενικά, τα πράγματα τείνουν να ρέουν προς τα κάτω, ωστόσο βρήκε μερικά φύλλα ματιού ανεξήγητα κατέληξαν πίσω στο βραστήρα. Κάπως, είχαν ταξιδέψει ανάντη.

Ο Bianchi βρήκε έναν μέντορα στον συνάδελφό του φυσικό από την Αβάνα, Ernesto Altshuler, ο οποίος τον βοήθησε να πραγματοποιήσει μερικά πειράματα, αν και ποτέ δεν δημοσίευσαν τα συμπεράσματά τους. Αλλά ο Altshuler συνέχισε να ενδιαφέρεται για το τι μπορεί να συμβαίνει και πέρυσι ένωσε τις δυνάμεις του με τον φυσικό του Πανεπιστημίου Rutgers Troy Shinbrot για να επαναλάβει αυτά τα προηγούμενα πειράματα.

Το στήσιμο περιελάμβανε δύο δεξαμενές νερού, τοποθετημένες δίπλα-δίπλα, με τη μία τοποθετημένη ψηλότερα από την άλλη. Οι δεξαμενές συνδέονταν με ένα κανάλι, μέσω του οποίου το νερό μπορούσε να ρέει από την επάνω προς την κάτω δεξαμενή. Στη συνέχεια, ράντισε φύλλα τσαγιού mate και σωματίδια κιμωλίας στην επιφάνεια του νερού στο κάτω μέρος της δεξαμενής. Σίγουρα, φύλλα και σωματίδια βρήκαν σύντομα τον δρόμο τους στο νερό στην επάνω δεξαμενή:

Τα φύλλα τσαγιού δεν αψηφούν πραγματικά τη βαρύτητα. Απλώς ανταποκρίνονται σε πολύπλοκες ρευστοδυναμικές. Σε μια εργασία που δημοσιεύτηκε στο Πρακτικά της Βασιλικής Εταιρείας Α, οι φυσικοί κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι αυτή η συμπεριφορά προέκυψε από έναν συνδυασμό παραγόντων:δηλαδή, διαφορές στην επιφανειακή τάση του νερού και τα ρεύματα δίνης.

Ο κύριος ένοχος είναι το φαινόμενο Marangoni, το οποίο ανακαλύφθηκε το 1855 από τον James Thomson, έναν φυσικό με αρκετά οικογενειακό γενεαλογικό γενεαλογικό γόνο - ο αδερφός του ήταν ο Λόρδος Kelvin. Αυτή ήταν μια άλλη στιγμή «αυτού είναι αστεία»:ο Thomson παρατήρησε ότι στο πλάι του ποτηριού του κρασιού σχηματίστηκαν σταγόνες και ρυάκια στο πλάι του ποτηριού του στο δείπνο και αναρωτήθηκε γιατί μπορεί να συμβεί αυτό — ιδιαίτερα για κρασιά με υψηλή περιεκτικότητα σε αλκοόλ. Το κρασί είναι ως επί το πλείστον αλκοόλ και νερό και το αλκοόλ έχει χαμηλότερη επιφανειακή τάση από το νερό. Έτσι, το νερό θα τείνει να ρέει μακριά από τυχόν θύλακες με υψηλότερη συγκέντρωση αλκοόλης, λόγω αυτών των μικρών διαφορών στην επιφανειακή τάση.

Στη συνέχεια, υπάρχει τριχοειδής δράση, κατά την οποία η επιφανειακή τάση τραβά ένα υγρό προς τα πάνω σε ένα στενό κανάλι (ή στο τοίχωμα ενός δοχείου, όπως ένα ποτήρι κρασιού) έως ότου η μάζα του γίνει αρκετά βαριά, ώστε να πέσει πίσω. Τα φυτά βασίζονται στην τριχοειδή δράση για να μεταφέρουν νερό και θρεπτικά συστατικά από τους μίσχους στα φύλλα. Μπορεί επίσης να φανεί στο λεγόμενο «φαινόμενο φιτίλι»:Σε μια λάμπα κηροζίνης, η κηροζίνη ταξιδεύει επάνω στο φυτίλι για να εξασφαλίσει ένα αργό, σταθερό κάψιμο.

Στην περίπτωση του κρασιού (ή άλλων ποτών για ενήλικες με υψηλή περιεκτικότητα σε αλκοόλ, όπως το μπέρμπον, όπως φαίνεται παρακάτω), το υγρό γέρνει στο πλάι του ποτηριού και αρχίζει να ανεβαίνει, χάρη στην τριχοειδή δράση, σχηματίζοντας μια μεμβράνη. Το αλκοόλ και το νερό εξατμίζονται και τα δύο κατά τη διαδικασία - εκτός από το ότι εξατμίζονται με διαφορετικούς ρυθμούς επειδή το αλκοόλ έχει υψηλότερη τάση ατμών. Αυτό μειώνει τη συγκέντρωση αλκοόλ σε αυτήν την περιοχή, αυξάνοντας την επιφανειακή τάση, έτσι ακόμα περισσότερο κρασί τραβιέται προς τα πάνω, σχηματίζοντας σταγόνες που τελικά γίνονται αρκετά βαριές ώστε να καταρρέουν και να τρέχουν πίσω στο ποτήρι σε ρυάκια, μερικές φορές γνωστά ως δάκρυα, πόδια, κουρτίνες ή παράθυρα εκκλησίας.

Κάτι παρόμοιο συμβαίνει με τα φύλλα τσαγιού και τα σωματίδια κιμωλίας, που βοηθούνται από την «οδήγηση» των ρευμάτων στροβίλου που αναπόφευκτα σχηματίζονται (το φαινόμενο Marangoni είναι τεχνικά ένα είδος μεταφοράς). Όλοι έχουμε δει στροβίλους όταν ανακατεύουμε γάλα στον καφέ μας, φυσάμε κρίκους καπνού ή βλέπουμε το νερό στην μπανιέρα να σχηματίζει υδρομασάζ καθώς στροβιλίζεται στην αποχέτευση.

Αυτά δεν είναι νέα φαινόμενα, με κανέναν τρόπο, αλλά είναι εκπληκτικό να ανακαλύπτουμε ότι μπορούν να συνδυαστούν για να ασκήσουν επαρκή δύναμη για να ωθήσουν τα φύλλα τσαγιού ανάντη. Τα συμπεράσματα των φυσικών μπορεί επίσης να εξηγήσουν γιατί τα μολυσμένα σωματίδια μερικές φορές εισχωρούν κρυφά σε πιπέτες που περιέχουν εργαστηριακά δείγματα ή γιατί οι ρύποι μπορεί περιστασιακά να μετακινούνται προς τα ανάντη σε ένα ποτάμι που ρέει αργά.

Η στιγμή του Bianchi «αυτό είναι αστείο» δεν είναι η πρώτη φορά που ένα πείραμα φυσικής εμπνέεται από ένα φλιτζάνι τσάι. Πριν από μερικά χρόνια, ο Daniel Ives, τότε μεταπτυχιακός φοιτητής στη μηχανολογία στο Κολοράντο, έκανε ένα πείραμα οπτικοποίησης ροής για να εξερευνήσει πώς τα φύλλα τσαγιού ιβίσκου εμποτίζουν ζεστό νερό. Τοποθέτησε ένα καθαρό ποτήρι ζεστό νερό σε φόντο λευκό χαρτί και ψέκασε μερικά φύλλα ιβίσκου στην επιφάνεια, φωτογραφίζοντας διάφορα στάδια της διαδικασίας διάχυσης.

Ο Ives ανακάλυψε ότι τα άνθη του ιβίσκου απορροφούν νερό και διογκώνονται, και ότι η απορροφημένη υγρασία τραβά τα υδατοδιαλυτά σωματίδια από τα λουλούδια, έτσι ώστε να ξεπλένονται στο νερό, διαχέοντας σταδιακά προς τα έξω και προς τα κάτω, έως ότου το νερό που έχει εγχυθεί με τσάι φτάσει σε ισορροπία. Τα φύλλα του τσαγιού, όντας πιο πυκνά από το νερό, παρουσιάζουν μια ανοδική άνωση ισοδύναμη με τη μάζα του νερού που εκτοπίζουν, σύμφωνα με την αρχή του Αρχιμήδη - την αρχική, και πιθανώς απόκρυφη, «Εύρηκα!». στιγμή. Αλλά η βαρύτητα τραβάει επίσης κάθε σωματίδιο στα φύλλα τσαγιού προς τα κάτω. Είναι ένα μικρό αποτέλεσμα, αλλά αρκεί να κάνει το νερό που είναι ήδη κορεσμένο με τα εκπλυμένα σωματίδια να βυθίζεται αργά στο ποτήρι.

Ίσως μια μέρα, ο Άιβς και οι συνάδελφοί του φυσικοί θα δοκιμάσουν τον ισχυρισμό του Τζορτζ Όργουελ το 1946 ότι για να επιτευχθεί ένα τέλειο φλιτζάνι τσάι, το νερό πρέπει να βράζει, μεταξύ άλλων απαιτητικών συνθηκών. Στο μεταξύ, είναι ωραίο να γνωρίζουμε ότι μπορούμε να μάθουμε κάτι ενδιαφέρον για τη φύση από ένα απλό φλιτζάνι τσάι.

Η Jennifer Ouellette είναι επιστημονική συγγραφέας και συγγραφέας του  Τα Ημερολόγια Λογισμού και τα προσεχή  Me, Myself and Why:Searching for the Science of Self. Ακολουθήστε την στο Twitter @JenLucPiquant.

Η βασική φωτογραφία είναι ευγενική προσφορά του Bo ("call me Daniel") Gao μέσω Flickr.

Αυτή η κλασική ανάρτηση Facts So Romantic δημοσιεύτηκε αρχικά τον Ιούλιο του 2013.