Het "theepot-effect" bedreigt al eeuwen smetteloze witte tafelkleden:als een vloeistof te langzaam uit een theepot wordt gegoten, dan laat de vloeistofstroom zich soms niet los van de theepot en vindt zijn weg in het kopje, maar druppelt naar beneden aan de buitenkant van de theepot.

Dit fenomeen is al tientallen jaren wetenschappelijk bestudeerd - nu is een onderzoeksteam van de TU Wien erin geslaagd om het "theepoteffect" volledig en gedetailleerd te beschrijven met een uitgebreide theoretische analyse en talloze experimenten:een samenspel van verschillende krachten houdt een kleine hoeveelheid vloeistof direct aan de rand, en dit is voldoende om de vloeistofstroom onder bepaalde omstandigheden om te leiden.

Een effect met een lange geschiedenis

Het "theepoteffect" werd voor het eerst beschreven door Markus Reiner in 1956. Reiner promoveerde in 1913 aan de TU Wien en emigreerde vervolgens naar de VS, waar hij een belangrijke pionier werd op het gebied van reologie - de wetenschap van stromingsgedrag. Steeds weer hebben wetenschappers geprobeerd dit effect precies te verklaren. Werk aan dit onderwerp werd in 1999 bekroond met de satirische "IG Nobelprijs". Nu is het onderzoek naar het theepoteffect rond, aangezien het werd bestudeerd in Reiner's alma mater, de TU Wien, door een team rond Dr. Bernhard Scheichl, docent aan het Institute of Fluid Mechanics and Heat Transfer en Key Scientist bij het Oostenrijkse Centre of Excellence for Tribology (AC2T research GmbH), in samenwerking met de afdeling Wiskunde van het University College London.

"Hoewel dit een veel voorkomend en ogenschijnlijk eenvoudig effect is, is het opmerkelijk moeilijk om het precies uit te leggen in het kader van de vloeistofmechanica", zegt Bernhard Scheichl. De scherpe rand aan de onderkant van de snavel van de theepot speelt de belangrijkste rol:er vormt zich een druppel, het gebied direct onder de rand blijft altijd nat. De grootte van deze druppel is afhankelijk van de snelheid waarmee de vloeistof uit de theepot stroomt. Als de snelheid lager is dan een kritische drempel, kan deze druppel de hele stroom langs de rand sturen en naar beneden druppelen op de buitenwand van de theepot.

"We zijn er nu voor het eerst in geslaagd een volledige theoretische verklaring te geven waarom deze druppel zich vormt en waarom de onderkant van de rand altijd nat blijft", zegt Bernhard Scheichl. De wiskunde erachter is ingewikkeld - het is een samenspel van traagheid, stroperige en capillaire krachten. De traagheidskracht zorgt ervoor dat de vloeistof de neiging heeft om zijn oorspronkelijke richting te behouden, terwijl de capillaire krachten de vloeistof afremmen tot aan de snavel. De interactie van deze krachten is de basis van het theepoteffect. De capillaire krachten zorgen er echter voor dat het effect pas begint bij een zeer specifieke contacthoek tussen de wand en het vloeistofoppervlak. Hoe kleiner deze hoek of hoe meer hydrofiel (d.w.z. bevochtigbaar) het materiaal van de theepot is, des te meer wordt het loskomen van de vloeistof uit de theepot vertraagd.

Thee in de ruimte

Interessant is dat de sterkte van de zwaartekracht in relatie tot de andere optredende krachten geen doorslaggevende rol speelt. De zwaartekracht bepaalt alleen de richting waarin de straal wordt gericht, maar de kracht ervan is niet bepalend voor het theepoteffect. Het theepoteffect zou daarom ook worden waargenomen bij het drinken van thee op een maanbasis, maar niet op een ruimtestation zonder zwaartekracht.

De theoretische berekeningen over het theepoteffect zijn door het onderzoeksteam in september 2021 gepubliceerd in het Journal of Fluid Mechanics . Nu werden ook experimenten uitgevoerd:water werd met verschillende stroomsnelheden uit een schuine theepot gegoten en gefilmd met hogesnelheidscamera's. Op deze manier was het mogelijk om precies te laten zien hoe de bevochtiging van de rand onder een kritische gietsnelheid leidt tot het "theepoteffect", waarmee de theorie werd bevestigd.