Efecto 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 se desliza por el pico o el cuerpo del recipiente en lugar de fluir hacia afuera en un arco. ^[1]

Markus Reiner acuñó el término "efecto tetera" en 1956 para describir la tendencia del líquido a gotear por el costado de un recipiente mientras se vierte. ^{[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] Reiner creía que el efecto tetera podría 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 era una interacción de inercia y 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 tetera. ^[5]

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

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

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

En este contexto se menciona a veces el efecto Coandă ^{[7] [8] [9] [10],} pero rara vez se cita en la literatura científica ^[8] y, por lo tanto, no se define con precisión. A menudo, parece que se mezclan en él varios fenómenos diferentes.

En hidrodinámica, el comportamiento de los líquidos en movimiento se ilustra mediante líneas de flujo. Éstas discurren en la misma dirección que el flujo mismo. Si el líquido que fluye choca contra un borde, el flujo se comprime hasta formar una sección transversal más pequeña. Solo no se rompe si el caudal de partículas de líquido permanece constante, independientemente de dónde se encuentre una sección transversal imaginaria (perpendicular al flujo). Por lo tanto, debe fluir la misma cantidad de masa por una sección transversal que por otra. De esto se puede concluir, pero también observar en la realidad, que el flujo se acelera en los cuellos de botella y que las líneas de corriente se agrupan. Esta situación describe la ecuación de continuidad para flujos no turbulentos.

Pero, ¿qué sucede con las condiciones de presión en el flujo si cambia la velocidad del flujo? 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 de presión y velocidad. El enunciado central de la ecuación de Bernoulli es que la presión en un líquido disminuye cuando aumenta la velocidad (y viceversa): Flujo según Bernoulli y Venturi.

La presión en el flujo se reduce en el borde del pico de la lata. Sin embargo, como la presión del aire en el exterior del flujo es la misma en todas partes, existe una diferencia de presión que empuja el líquido hacia el borde. Según los materiales utilizados, el exterior del pico se humedece durante el proceso de flujo. En este punto, se producen fuerzas interfaciales adicionales: el líquido se desliza en un hilo estrecho a lo largo del pico y la lata hasta que se desprende de la parte inferior.

El indeseado efecto tetera solo se produce cuando se vierte el líquido de forma lenta y cuidadosa. ^[6] En el vertido rápido, el líquido sale por el pico formando un arco sin gotear, por lo que se le da 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 entonces suficiente para influir en el flujo hasta el punto de que el líquido sea empujado por el borde del pico.

Dado que las condiciones de flujo se pueden describir matemáticamente, también se define una velocidad crítica de salida. Si al verter el líquido cae por debajo de esa velocidad, éste se desliza hacia abajo por la olla y gotea. En teoría, esta velocidad se podría calcular con precisión para una geometría de lata específica, la presión de aire actual y el nivel de llenado de la lata, 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 se pueden modificar (al menos no con la suficiente precisión en la práctica), la única forma de evitar el efecto tetera suele ser elegir una geometría adecuada para la olla.

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

Una buena jarra debe tener, independientemente de la moda, un pico con un borde desprendible (es decir, sin borde redondeado) para que sea más difícil correr alrededor del borde. Más importante aún, el pico debe dirigirse primero hacia arriba (independientemente de la posición en la que se sostenga la jarra). Como resultado, el líquido se vería obligado a fluir hacia arriba después de pasar por el borde del pico al verter, pero esto se evita por la gravedad. De este modo, el flujo puede resistir la humedad incluso cuando se vierte lentamente y el líquido no alcanza la parte inclinada hacia abajo del pico y el cuerpo de la jarra.

La imagen de la derecha ^{[ aclaración necesaria ]} muestra tres recipientes con un comportamiento de vertido deficiente. Incluso en posición horizontal, es decir, sobre la mesa, los bordes inferiores de los picos de vertido no apuntan hacia arriba. ^[6] Detrás hay cuatro recipientes con buenas características de flujo gracias a unas puntas bien formadas. Aquí, el líquido sube en el borde inferior del pico con un ángulo de menos de 45°. ^[6] En parte, esto solo se hace evidente si se tiene en cuenta el nivel de llenado máximo normal: la jarra de vidrio de la extrema derecha, por ejemplo, parece a primera vista un mal vertedor 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 entonces una subida ventajosa en el cuello al verter en horizontal.Ángulo ascendente para el líquido al verter. En 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 se puede empujar hacia arriba directamente después del borde (contra la gravedad). indica.

Para evitar el efecto tetera, se puede llenar menos la tetera, por lo que se necesita un ángulo de inclinación mayor desde el principio. Sin embargo, el efecto o el nivel de llenado ideal depende de la geometría de la lata.

El efecto tetera no se produce en las botellas, ya que el cuello delgado de la botella siempre apunta hacia arriba al verter el líquido, por lo que la corriente tendría que "fluir cuesta arriba" durante un largo trecho. ^[6] Por ello, en los laboratorios se utilizan a menudo recipientes similares a botellas para productos químicos líquidos. También se utilizan determinados materiales para evitar el goteo, por ejemplo, el vidrio, que se puede moldear fácilmente o incluso esmerilar para crear los bordes más afilados posibles, o el teflón, por ejemplo, que reduce el efecto de adherencia descrito anteriormente.

• Adhesión
• Efecto Coanda
• Pérdida de sustentación (dinámica de fluidos)
• Caño (tetera)  [de]

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