Φαινόμενο Coanda:Γιατί είναι τόσο δύσκολο να χύσετε υγρό από κούπες;

Τα σωματίδια υγρού συχνά προσκολλώνται σε επίπεδες και καμπύλες επιφάνειες λόγω μιας διαφοράς πίεσης που υπάρχει μεταξύ της επάνω και της κάτω πλευράς των σωματιδίων. αυτή η τάση προσκόλλησης είναι γνωστή ως το φαινόμενο Coanda.

Αφού αποκαλύψουμε τα μυστήρια πίσω από το γιατί η κουρτίνα του μπάνιου σας προσπαθεί πάντα να σας πιάσει, σήμερα θα αποκαλύψουμε ένα άλλο από τα μυστήρια της ζωής που μας επηρεάζει όλους—γιατί είναι τόσο δύσκολο να ρίξετε υγρό από μια κούπα χωρίς να χυθεί;

Πιθανότατα θα σοκαριστείτε όταν μάθετε ότι ένα από τα φαινόμενα που προκαλούν το ποτό σας να χυθεί θεωρείται επίσης υπεύθυνο για το γιατί πετάει ένα αεροπλάνο. Γνωρίζουμε το φαινόμενο ως το φαινόμενο Coanda και εξηγεί την προσκόλληση των υγρών σε καμπύλες επιφάνειες.

Για τα αεροπλάνα, ο περιβάλλοντας αέρας προσκολλάται στα φτερά και δημιουργεί την ανύψωση που είναι απαραίτητη για την πτήση. ενώ στην περίπτωση των κούπες, το υγρό μέσα προσκολλάται στο κυρτό χείλος της κούπας και στάζει κατά μήκος της επιφάνειάς του, αφήνοντας ένα χάος για να το καθαρίσουμε.

Εφέ Coanda

Αυτό το φαινόμενο αναγνωρίστηκε για πρώτη φορά από τον Henri Coanda, έναν Ρουμάνο μηχανικό και μαθηματικό. Το 1910, ο νεαρός Coanda δοκίμαζε το αεροσκάφος Coanda-1910, ένα αεροσκάφος που είχε κατασκευάσει, όταν έπεσε πάνω στην ανακάλυψη. Το ίδιο το αεροσκάφος δεν έφτασε στο έδαφος. Στην πραγματικότητα, το αεροσκάφος πυρπολήθηκε κατά τη διάρκεια της προθέρμανσης του. Ωστόσο, δεν ήταν όλα χαμένα, καθώς ο Coanda παρατήρησε κάτι ασυνήθιστο.

Παρατήρησε αναμμένα αέρια που εξέρχονται από τον κινητήρα και πετούσαν σε κοντινή απόσταση από το σώμα του αεροσκάφους (άτρακτος). Μεταγενέστερα πειράματα και μελέτες τον οδήγησαν τελικά να επιβεβαιώσει αυτό που σήμερα γνωρίζουμε ως «Φαινόμενο Coanda».

Ο ίδιος ο Coanda περιέγραψε το φαινόμενο ως «την τάση ενός πίδακα υγρού που αναδύεται από ένα στόμιο να ακολουθεί μια γειτονική επίπεδη ή καμπύλη επιφάνεια και να παρασύρει υγρό από το περιβάλλον έτσι ώστε να αναπτυχθεί μια περιοχή χαμηλότερης πίεσης».

Με απλούστερους όρους, το φαινόμενο Coanda είναι η τάση ενός ρευστού, όπως ο αέρας ή οποιοδήποτε άλλο υγρό, να προσκολλάται και να ρέει κατά μήκος επίπεδων και καμπυλωτών επιφανειών.

Μηχανισμός του φαινομένου Coanda. (Φωτογραφία :Cruithne9/Wikimedia Commons)

Η αρχή του Μπερνούλι στο παιχνίδι

Ένας πίδακας που εξέρχεται από ένα στόμιο σαρώνει τον περιβάλλοντα αέρα μαζί του. Ωστόσο, ο πίδακας που εξέρχεται ρέει με μεγαλύτερη ταχύτητα από τον αέρα του περιβάλλοντος και σύμφωνα με την Αρχή του Bernoulli, τα υγρά που ρέουν με υψηλότερες ταχύτητες έχουν χαμηλότερη πίεση και αντίστροφα. Έτσι, ο πίδακας χαμηλής πίεσης περικλείεται από τον ατμοσφαιρικό αέρα σχετικά υψηλής πίεσης. Ο περιβάλλον αέρας πιέζει τον πίδακα και από τις δύο πλευρές, εξισορροπώντας τον στη μέση.

Όταν υπάρχει ή εισάγεται μια στερεή επιφάνεια στη μία πλευρά του πίδακα, ο αέρας του περιβάλλοντος υψηλής πίεσης που την ωθεί προς τα πάνω και επομένως εξισορροπεί τον πίδακα απομακρύνεται. Ως αποτέλεσμα, ο αέρας του περιβάλλοντος από την άλλη πλευρά αναγκάζει τον πίδακα προς τα κάτω, με αποτέλεσμα να προσκολλάται στην επιφάνεια. Ο πίδακας συνεχίζει να προσκολλάται στην επιφάνεια ακόμα και όταν καμπυλώνει.

Εφέ Coanda κατά την έκχυση

Επιστρέφοντας στην ερώτησή μας, το να χύνουμε από κούπες είναι δύσκολο για δύο λόγους. Πρώτον, είναι δύσκολο λόγω της επιφανειακής τάσης του υγρού, και δεύτερον, λόγω της προσκόλλησης των μορίων του υγρού στην επιφάνεια της κούπας ως αποτέλεσμα του φαινομένου Coanda. Αν και έχουμε ήδη συζητήσει λεπτομερώς την πτυχή της επιφανειακής τάσης (Γιατί μερικές φορές τα υγρά τρέχουν στο πλάι του δοχείου ενώ χύνονται;), αυτός δεν είναι ο μόνος ένοχος στην εργασία.

Τα μόρια υγρού μέσα στην κούπα υπόκεινται σε πίεση περιβάλλοντος από τον περιβάλλοντα αέρα. Όταν κάποιος χύνεται από μια κούπα, η πίεση του περιβάλλοντος αναγκάζει το υγρό να προσκολληθεί στην επιφάνεια της κούπας. Τα μόρια παραμένουν κολλημένα, ακόμη και όταν η επιφάνεια της κούπας καμπυλώνεται στο χείλος. Για να αποφευχθεί η στάλαξη του υγρού, η βαρύτητα πρέπει να υπερνικήσει τόσο την επιφανειακή τάση του υγρού όσο και την προσκόλληση του υγρού στην επιφάνεια της κούπας, λόγω του φαινομένου Coanda. Εννέα στις δέκα φορές, οι συνδυασμένες δυνάμεις αποδεικνύονται πολύ μεγάλες για να τις υπερνικήσει η βαρύτητα, έτσι το υγρό στάζει στην επιφάνεια της κούπας.

Γενιά ανύψωσης σε αεροσκάφη

Το φαινόμενο Coanda πιστεύεται επίσης ότι είναι ο λόγος για τον οποίο ένα σχήμα αεροτομής δημιουργεί ανύψωση, αν και αυτό δεν έχει αποδειχθεί. Για το μεγαλύτερο χρονικό διάστημα, οι άνθρωποι πίστευαν ότι οι αεροτομές δημιουργούν ανύψωση λόγω της Αρχής του Bernouilli, αλλά εκτενείς μελέτες που πραγματοποιήθηκαν με χρήση λογισμικού προσομοίωσης υποστηρίζουν το αντίθετο.

Η υπόθεση (επίσης γνωστή ως θεωρία ίσης διέλευσης ή θεωρία μακρύτερης διαδρομής) υποθέτει ότι τα σωματίδια αέρα του ανώτερου και του κατώτερου ρεύματος πρέπει να συναντώνται ταυτόχρονα στην ουρά. Δεδομένου ότι η πάνω και η κάτω επιφάνεια των αεροτομών δεν είναι ομοιόμορφες, τα σωματίδια στην επάνω επιφάνεια πρέπει να ταξιδεύουν με μεγαλύτερη ταχύτητα από τα σωματίδια της κάτω επιφάνειας για να φτάσουν στην ουρά ταυτόχρονα. Προαναφερθέντα, σύμφωνα με την Αρχή του Bernoulli, η ταχύτητα και η πίεση του ρευστού είναι αντιστρόφως ανάλογες.

Έτσι, υπάρχει περισσότερη πίεση στην κάτω επιφάνεια από την επάνω επιφάνεια, και αυτή η διαφορά πίεσης δημιουργεί ανύψωση. Ωστόσο, η υπόθεση στην οποία βασίζεται η θεωρία, δηλαδή ότι τα σωματίδια από την κάτω και την επάνω επιφάνεια πρέπει να φτάσουν στο πίσω άκρο ταυτόχρονα, δεν έχει λογική εξήγηση και θεωρείται παράλογη.

Στην πραγματικότητα, τα σωματίδια της ανώτερης γραμμής ροής φτάνουν στην ουρά πριν από τα σωματίδια της κάτω γραμμής ροής. Επιπλέον, η εφαρμογή της Αρχής του Bernouilli περιορίζεται σε δύο σημεία στον ίδιο εξορθολογισμό, όχι σε δύο διαφορετικές γραμμές. Για αυτούς τους λόγους, η θεωρία της ίσης διέλευσης έχει καταρριφθεί.

Μια απεικόνιση της θεωρίας του ίσου χρόνου. (Φωτογραφία:Wikimedia Commons)

Μια αεροτομή είναι κυρτή και στις δύο πλευρές και, όπως προτείνεται από το φαινόμενο Coanda, τα σωματίδια υγρού προσκολλώνται σε καμπύλες επιφάνειες. Αυτή η προσκόλληση αναγκάζει τη ροή του αέρα προς τα κάτω. Για να προσκολληθεί η ροή, πρέπει να υπάρχει περισσότερη πίεση στο πάνω μέρος του σωματιδίου παρά στο κάτω μέρος. Αυτό δημιουργεί επίσης μια διαφορά πίεσης στις αντίθετες πλευρές της αεροτομής, η οποία παράγει ανύψωση. Επίσης, σύμφωνα με τον τρίτο νόμο του Νεύτωνα, η προς τα κάτω ροή (δράση) παράγει μια ανοδική δύναμη (αντίδραση) με τη μορφή ανύψωσης.

Συμπέρασμα

Εκτός από τη δημιουργία ανελκυστήρων σε αεροσκάφη, άλλες εφαρμογές του φαινομένου Coanda περιλαμβάνουν έλεγχο υδροηλεκτρικής ενέργειας, ταλαντωτικά ροόμετρα, στον κλιματισμό κ.λπ. Το φαινόμενο βρίσκει επίσης εφαρμογές στους τομείς της μετρολογίας, των αυτοκινήτων και της ιατρικής. Στα αυτοκίνητα, το αποτέλεσμα χρησιμοποιείται κυρίως από τους κατασκευαστές αυτοκινήτων F1 για να κρατήσουν μακριά τα καυσαέρια, καθώς και σε ορισμένους διανομείς υγρών, ενώ στην ιατρική, το αποτέλεσμα εμφανίζεται στους αναπνευστήρες και μας βοηθά να κατανοήσουμε καλύτερα την ανεπάρκεια μιτροειδούς της ανθρώπινης καρδιάς.

Ωστόσο, το φαινόμενο Coanda δεν είναι καθολικό και εφαρμόζεται μόνο όταν η καμπυλότητα μιας επιφάνειας δεν είναι πολύ έντονη. Έτσι, για να μην χυθεί το ποτό σας, ρίξτε γρήγορα, κρατώντας την κούπα σε μεγαλύτερη γωνία ως προς το οριζόντιο επίπεδο!