Учените чак сега разбраха защо свирят чайниците

Изследователите най-после разбраха защо свири чайникът. Този проблем ги е озадачавал ни повече, ни по-малко повече от сто години!

Жалко е само, че свирещи чайници вече не се намират в съвременните кухни. Впрочем откритието не е толкова безполезно и обещава да пребори и други неприятни шумове.

Умозаключенията на двама изследователи от Кеймбриджкия университет ще помогнат на инженерите да спрат нежелано дразнещо свистене от аналогичен характер, възникващо например в домашната санитарна техника или при проблем с ауспуха на автомобила.

„Откритият от нас ефект може да се приложи към огромно количество ситуации – навсякъде, където структура, съдържаща поток въздух, прилича на свиренето на чайника – смята Рос Хенриууд от инженерния факултет. – Тръбите в сградите са класически пример на подобен ефект. Той се наблюдава и в ауспуха на автомобила. Ако разбереш откъде идва свиренето, можеш да се отървеш от него.”

Хенриууд, който провел изследвания в рамките на собствен дипломен проект, и ръководителят му д-р Анураг Анарвал успели да покажат как именно се появява звукът в чайника, когато потокът пара достигне чучура.

Възможно е повечето хора никога да не са смятали това за сериозен повод за научни спорове, но даденият проблем излиза далеч извън рамките на обикновените чайници. Използвайки знанията, получени в хода на изследването, учените могат да изолират и предотвратят дразнещите шумове, съпровождащи всекидневно нашия живот.

Свирката на чайника се състои от две пластини, разположени близо една до друга и образуващи кухина. Двете пластини имат отвор по средата, който позволява на парата да излезе навън. Ясно е, че свиренето на чайника са вибрации, произвеждани от увеличаващия се обем пара, излизаща от чучура. Но учените много десетилетия не могли да разберат кое именно произвежда звука.

© Geoff Robinson

Хенриууд и Агарвал създали няколко опростени свирки, а след това провели серия експерименти, в които въздухът преминавал през тях на различни скорости (получените звукови ефекти били записани). Това позволило на учените да построят графики на зависимостите на честотите и амплитудите на звука от параметрите на чучура. Накрая те използвали два микрофона, за да определят честотата на звуковите колебания в чучура.

Резултатите показали – ако скоростта на потока е висока, звукът се появява благодарение на два малки вихъра, които при определени честоти произвеждат шума. Когато парата се повдигне към чучура на чайника, той се натъква на първото отверстие, което е значително по-тясно от самия чучур. Потокът пара се свива и създава струя, преминаваща през отвора.

Разбира се, струята пара е нестабилна. Когато достигне края на „свирката”, тя вече не е еднороден поток. Тази нестабилност предизвиква малък импулс на налягане при попадане във второто отверстие. Този импулс предизвиква образуване на вихри пара на изхода. Тези вихри произвеждат звукови вълни, създавайки шум, сигнализиращ за това, че водата за чая е кипнала.

Хенриууд и Агарвал обяснили също така защо този ефект води до свирене, а не до друг вид шум. Според тях този механизъм е аналогичен на онзи, който се наблюдава в тръбата на орган или флейта. Сред звуковите вълни доминира определена честота, която се определя от размера и формата на отверстието, както и от дължината на чучура. Колкото е по-дълъг той, толкова по-ниска ще бъде тоналността.

Също изследователите открили, че чайникът ще свири дори ако скоростта на потока е по-ниска от необходимата за възникването на вихри. И открили дори още един произвеждащ звук механизъм, който работи при кипването на водата. Разликата е в това, че тоналността на звука на този етап има една и съща честота независимо от широкия диапазон скорости.

Оказва се, че при скорости, по-ниски от критичните, източник на звука са колебания между застоялия между двете пластини въздух. Това е подобно на действието на Хелмхолц резонатора – този механизъм издава звук, ако духнете в празна бутилка.

Когато въздухът попадне в отвореното гърло на бутилката, въздухът вътре буквално подскача нагоре-надолу като пружина. Подобен механизъм се наблюдава и при кипването на някои чайници.

Според учените изследването им помогнало да оценят различни механизми в действие. Откритието, достойно за Шнобелова награда (Ig Nobel Prize) през следващата година, ще позволи да се внесат изменения в конструкцията и да се предотврати възникването на шумове.

Сега Хенриууд и Агарвал разработват въз основа на тези изследвания проект на безшумни високоскоростни сешоари за ръце.

Подробности за изследването може да научите в The Physics Of Fluids.