שאלת "אפקט קנקן התה" מעסיקה את המדע כבר יותר מ-65 שנה. רק לפני כמה חודשים הצליחו פיזיקאים למצוא לה הסבר מלא

סביר להניח שתופעת הטפטוף מטרידה את בני האדם מאז המצאתו של הכד. במקום שהמשקה שאנחנו מוזגים יזרום היישר מכלי הקיבול לתוך הכוס, אנחנו מגלים לא פעם שחלק מהנוזל מעדיף לזרום לאורך הדופן החיצונית של הכלי ומרטיב את מפת השולחן הנקייה שרק עכשיו פרסנו.

אף שאין ספק שהתופעה אינה חדשה, ההתייחסות המדעית הראשונה אליה הייתה רק בשנת 1956. מרקוס ריינר מהטכניון בחיפה, שהיה מחלוצי תחום הראולוגיה (חקר הזרימה) הציע אז מודל בסיסי לתיאור התופעה ואף נתן לה שם: "אפקט קנקן התה".

בשנים שחלפו מאז הציעו חוקרים מודלים מפורטים ומשוכללים יותר, אך עדיין חלקיים. והנה לפני חודשים ספורים בלבד, בספטמבר 2021, פרסמו חוקרים מאוניברסיטת וינה מודל פיזיקלי  שמסביר את התופעה במלואה, ואף אימתו את ניבויי המודל בכמה ניסויים שערכו. הם מצאו שהאפקט נובע משילוב של מהירות הזרימה של הנוזל, צורת הקנקן ומידת ההרטבה שלו.

מאזן כוחות

כשנוזל נמצא במגע עם משטח אחר פועלים עליו שני סוגי כוחות שקובעים איך יתנהגו טיפות הנוזל. הראשון הוא הכוחות הפועלים בין הנוזל למשטח (כוחות אדהיזיים) ושואפים להגדיל את שטח המגע ביניהם. השני הוא של כוחות הפועלים בין חלקיקי הנוזל עצמם (כוחות קוהיזיים) ושואפים לשמור את צורת הטיפה. האיזון בין שני הכוחות הללו יוצר את מאפייני ה"הרטבה", כלומר עד כמה הנוזל נוטה להישאר על המשטח ולכן גם איך ינוע עליו. אם הכוחות האדהיזיים חזקים במידה מספקת מהכוחות הקוהיזיים, נאמר שהמשטח הוא בעל הרטבה גבוהה. במצב כזה הנוזלים ייקשרו חזק למשטח ויתנגדו לזרום על גביו. כך יצטברו הטיפות על פני השטח ולא ינועו הלאה, כפי שקורה למשל לטיפות גשם קטנות על שמשת החלון.

**תמונה של גשם על החלון**  כאשר הכוחות בין הנוזל למשטח גדולים בין הכוחות בין חלקיקי הנוזל עצמו יצטברו הטיפות על פני המשטח ולא ינועו הלאה. | צילום: New Africa Shutterstock
כאשר הכוחות בין הנוזל למשטח גדולים בין הכוחות בין חלקיקי הנוזל עצמו יצטברו הטיפות על פני המשטח ולא ינועו הלאה. | צילום: New Africa Shutterstock

כשמהירות הזרימה משפת הקנקן נמוכה מרף מסוים, טיפות נוזל מצטברות על שפת הפִּייה שלו. כעת, כל טיפה שזורמת אל שפת הכלי נתקלת בטיפות שכבר הצטברו שם. בגלל הכוחות הקוהיזיים הפועלים על הנוזל, היא נצמדת בתחילה לטיפות הקודמות, במקום להתנתק מהקנקן ולזרום ממנו אל הכוס.

לכן כשאנחנו מטים את הקנקן קדימה במטרה למזוג ממנו משקה, מצטברות על שפת הקנקן יותר ויותר טיפות. בסופו של דבר כמות הנוזל נהיית גדולה מדי והוא לא יכול יותר לשמור על צורתו, כי כוח הכובד גובר על הכוחות הפועלים בין הטיפות ומושך אותן למטה. לכן הטיפות יזרמו החוצה, אך מאחר שההרטבה של הקנקן גבוהה, הטיפות לא ינטשו את המשטח אלא ויזרמו על דופן הקנקן, עד שייקוו מתחתיו על השולחן או על השיש במטבח.

המחקר מסביר גם איך מאפייני הנוזל, הקנקן והזרימה משפיעים על האפקט. אחת הדרכים למנוע את הטפטוף המציק היא להגדיל את מהירות הזרימה. אם הנוזל זורם מספיק מהר אל הפִּייה והחוצה, הטיפות לא מספיקות להיאחז במשטח ולהצטבר בפתח הפִּייה. דרך אחרת למנוע את האפקט היא להשתמש בקנקן מחומרים שההרטבה שלהם נמוכה, כמו חומרים דוחי מים. פתרון שלישי קשור לצורה: זרבובית מוארכת וחדה תאפשר זרימה חופשית של הנוזל החוצה, משום שקל לו יותר להיאחז בשפה מעוגלת. לכן התופעה מורגשת ביתר שאת כשאנחנו מוזגים מכוס.

תופעת אפקט קנקן התה ממחישה איך לא פעם דווקא התופעות היומיומיות ביותר דורשות הסברים מורכבים ועדינים במיוחד. לדברי החוקרים, משמעות הפענוח של האפקט אינה מוגבלת רק לקנקנים וכוסות, אלא רלוונטית מאוד גם לתחומי מחקר כמו מיקרופלואידיקה, העוסק בזרימת נוזלים בסביבות זעירות במיוחד מאוד כגון כלי דם צרים או שבבים מיקרוסקופיים.

לבסוף, ההסבר מאפשר לענות על שאלה חשובה שבוודאי מטרידה רבים – האם נצטרך להיזהר במזיגת מים גם כשנגור על הירח, בסביבה שבה כוח הכובד שמושך את הטיפות למטה הרבה יותר חלש מהכבידה בכדור הארץ? תשובת החוקרים היא שכן. כוח הכובד משחק תפקיד קטן יחסית באפקט קנקן התה, ועיקר ההשפעה שלו היא על כיוון הזרימה של הנוזל, כלומר למטה. על הירח, הנוזלים עדיין יוכלו להיצמד לפִּייה ולזרום על דופן הקנקן במקום להישפך החוצה לתוך הכוס. ההבדל העיקרי יהיה שכמות הנוזל שיצטבר על שפת הקנקן לפני שתתחיל הזרימה החוצה תהיה גדולה יותר.

 

8 תגובות

  • אפ

    מפה "פורשים" - כמו מפרש.

    מפה "פורשים" - כמו מפרש.
    לא "פורסים" - כמו פרוסת לחם.

  • אנונימי

    עברית יפה שפה :)

    מפה "פורשים" - כמו מפרש.
    לא "פורסים" - כמו פרוסת לחם.

  • קופי

    צורת הכלי

    האם בעצם זרבובית צרה וארוכה עוזרת לנו כי היא תולדה של מהירות (שמושפעת גם היא מהכוחות האדהיזיים והקוהיזיים)?

  • ורד

    ואפשר גם לרמות ולהטות את הכוס

    ואפשר גם לרמות ולהטות את הכוס שמוזגים אליה כלפי הקנקן כמו שמוזגים יין

  • אנונימי

    מלכת אנגליה

    סערה בכוס תה

  • פולי

    הגהה

    "כל טיפתה שזורמת", "משום שקל לא יותר להיאחז", "תופעת אפקט קנקן התה ממחיש"

  • מריה

    אז לא שווה לגור על הירח אם אוהבים תה

    זה יהיה פשוט ביזבוז..

  • אנונימי

    דוידסון, 2 טעויות כּתיב בכתבה

    דוידסון, 2 טעויות כּתיב בכתבה? לא מתאים לכם...