Teenkeiton fysiikkaa

Ruukinmatruna on teeaddikti, ja perheen vanha teenkeitin kului kertakaikkiaan loppuun - lämpöelementti oli läpikorrodoitunut, ja teessä maistui selkeä rautaoksidin maku. Eli uusi piti hankkia. Valinta osui saksalaisvalmisteiseen kontraptioon, joka valmistaa teen hauduttamalla ja siivilöimällä sen.

Teestä tulee hyvää ja runsasaromista, mutta vekottimessa on yksi paha vika. Sen design on selkeästi arkkitehdin, ei suinkaan insinöörin, suunnittelema. Varsinainen kaatokannu pissii kaadettaessa.

Koska ruukinmatruuna on nörtti, hänen pikku ajukoppansa alkoi välittömästi raksuttamaan. Kyse on puhtaasti fluidimekaniikasta ja virtauksesta. Fysikaalisessa katsannossa kaatokannun pissiminen merkitsee sitä, että virtaus ei irtoa virtauskanavasta vaan pysyy siinä kiinni - nesteeseen vaikuttavat viskoosisuusvoimat ovat suhteessa hyvin suuria inertiavoimiin nähden. Eli fysikaalisesti sanoen tällöin virtaus kaatokannun nokassa on laminaarinen.

Ruukinmatruuna on ysiysi, joten hänelle virtausoppi tuli tutuksi ilmailun teoriassa. Virtausoppiin ja fluidimekaniikkaan liittyy olennaisena suureena Reynoldsin luku, tuttavallisemmin Reiska. Kyseisen luvun yleisin käyttö on sen arvioiminen, onko virtaus laminaaria vaiko turbulenttia. Kun Reiska on alhainen, virtaus on laminaaria; tämän jälkeen on siirtymäalue, ja korkeilla Reiskan arvoilla virtaus on turbulenttinen. Elintarvikkeiden osalta Reiskan arvot <500 merkitsevät laminaaria virtausta, 500-2000 siirtymäaluetta ja 2000< turbulenttia virtausta.

Riippuen sovelluksesta, virtaukselle joko laminaarisuus tai turbulenssi on toivottavaa. Aerodynamiikassa ja hydrodynamiikassa pyritään mahdollisimman laminaariin virtaukseen, koska tällöin siiven tai rungon hyötysuhde on paras ja rajakerros paksuin ja siipi voidaan tehdä ohueksi (ensimmäinen massatuotettu lentokone, jossa oli varsinainen laminaarivirtaussiipi, oli P-51 Mustang), kun taas aineensiirrossa ja sekoituksessa pyritään mahdollisimman korkeaan Reiskaan; tällöin virtauksen osittaisderivaattojen ristitulo eli roottori (siis nabla risti F) saa optimaalisen arvon ja virtauksen sekoitus on mahdollisimman tehokas - tällöin pyritään tulppavirtaukseen. Tästä päästään kätevästi Navier-Stokesin yhtälöihin ja siihen, että osittaisderivaattojen summavektorin (nablan) pistetulo (divergentti) tilavuusvirran kanssa on nolla, koska kyse on kokoonpuristumattomasta nesteestä.

Ja nesteen kaatamisessa sen pissiminen on ei-toivottava ilmiö, eli ihannetapauksessa neste on turbulentissa virtauksessa. Tällöin virtaukseen vaikuttavat inertiaalivoimat ovat paljon sen viskositeettivoimia suuremmat, ja tiheydeltään alhaisempi (molekyyleiltään polaarinen) tee irtoaa tiheydeltään korkeammasta lasista (joka puolestaan on ioniyhdiste) - virtauksen inertiavoimat voittavat siihen vaikuttavat adheesio- ja viskositeettivoimat. Tällöin virtaus ei takerru lasiin ja suomeksi sanottuna kannu ei pissi. Eli Reiska pyritään maksimoimaan - ohessa vielä Reiskan kaava:


Re = v_sLρμ^-1 = v_sLη^-1

missä

Re = Reynoldsin luku
v_s = nopeus, m/s
L = virtauksen keskimääräinen läpimitta, m
ρ = fluidin tiheys, kg/m³
μ = fluidin dynaaminen viskositeetti, kg/ms (pascalsekunti eli senttipoisi)
η = fluidin kinemaattinen viskositeetti, m²/s

Jos kannu pissii, se johtuu täsmälleen kahdesta asiasta:

1. Virtauksen virtausnopeus (v_s) on liian alhainen. Tähän auttaa nopeampi ranneliike. Mitä varovaisemmin teetä (maitoa, vettä, kahvia, mitä tahansa elintarvikenestettä) yrittää kaataa, sitä varmemmin astia pissii. Nopeampi ranneliike yleensä myös kasvattaa virtauksen läpimittaa, omalta osaltaan kasvattaen Reiskaa.

2. Virtauksen halkaisija on liian pieni suhteessa virtausnopeuteen. Tähän auttaa kaatonokan uudelleenmuotoilu. Nyt vastaan tulee ystävämme Bernouillin laki, jonka mukaan virtauksen paineen, potentiaalienergian ja liike-energian summa on vakio. Eli paradoksaalisesti pienentämällä virtauksen halkaisijaa saadaan virtausnopeus kasvamaan. Virtausnopeuden kasvu ei suinkaan ole lineaarinen, vaan virtausnopeus kasvaa neliösuhteessa. Eli tekemällä kaatonokka pitkäksi ja teräväksi (vrt. dekantterilasi!) saadaan kanavan muotoilulla aikaan se, että virtausnopeus suhteessa virtauksen halkaisijaan kasvaa mahdollisimman suureksi. Samalla Reiska kasvaa, ja virtaus muuttuu kaatonokassa turbulentiksi.

Ruukinmatruunan oma arvio on, että teenkeittimen muotoilleen arkkitehdin oppimäärään ei kuulunut virtausmekaniikka. Sen kaatokannun kaatonokka on aivan liian lyhyt ja laakea, mistä johtuu virtauksen pissiminen.

Mikä avuksi? Biltemassa myydään käteviä butaanikynäpolttimia, jolla butaaniliekin lämpötila saadaan niin korkeaksi, että lasi alkaa pehmentyä. (OK, kyse on Pyrex-lasista, mutta silti.) Ruukinmatruunalla on koko joukko hienomekaanisia työkaluja, ja niillä voidaan muotoilla kaatonokkaa uudelleen pitemmäksi ja terävämmäksi - niin, että virtaus varmasti muuttuu turbulentiksi ja irtoaa lasista.

Saisikohan tällä tutkimuksella vuoden 2009 fysiikan Ig-Nobelin?