Jak nevybryndat kávu?

Tělo poslechlo zvonění budíku a vstalo. Mysl stále omámená dřímotou čeká na první porci kofeinového životabudiče. Donést v tomto stavu šálek kávy na stůl nebývá jednoduchý úkol. Nejednou to skončí pobryndanou podlahou, nebo politým ubrusem. Odbornice na mechaniku kapalin Emilie Dressaireová z New York University Polytechnic School of Engineering nabízí pro vyřešení tohoto problému jednoduchý recept – pěnu.

Dressaireová si všimla, že koupené café latte přenese přes ulici do práce bez vyšplíchnutí i ve vrchovatě naplněném kelímku. Ani si nemusí zakrývat nádobu víčkem. S černou kávou měla při přenášení větší trable. Zmínila se o tom mužským kolegům v práci a ti se s ní podělili o zkušenost, že stejně dobře se přenáší i vrchovatá sklenice piva s pěnou. Pokud je pivo bez pěny, hrozba vybryndnutí roste.

Fyzikální podstatu vlivu pěny na vlnění povrchu kapaliny vědci nezkoumali v pivnicích a kavárnách, ale v laboratoři, kde si pro tento účel vyrobili testovací přístroj. Na pohyblivou podložku postavili skleněnou nádobu se směsí vody, glycerolu a saponátu. U dna nádoby vypouštěli konstantní rychlostí vzduch a na povrchu kapaliny vytvářeli stabilní, homogenní vrstvu pěny z bublin o průměru 3 milimetry. Pak přišlo na řadu vlastní testování. Do podložky strčili buď jen jednou, a to přesně danou silou, anebo s ní rytmicky pohybovali tam a zpátky, aby povrch kapaliny rozkolísali. Pohyb hladiny snímali vysokorychlostní kamerou.

Výsledky hovořily jasnou řečí. Pěna výrazně tlumí vlnění na povrchu kapaliny. Už pět vrstev bublin sníží výšku vln na pouhou desetinu. Silnější vrstvy bublin ale nepřinášejí výraznější posílení tlumícího efektu, protože horní vrstvy pěny se už v reakci na vlnění hladiny příliš nepohybují. Pro brždění vln jsou klíčové bubliny, jež přicházejí do styku se stěnami nádoby. Dressaireová a její spolupracovníci se domnívají, že k tlumení vln dochází v důsledku tření bublin o stěny nádoby.

Snímky z testování pohybu hladiny kapalin krytých pěnou. Pěna tlumí vlnění hladiny. Pět vrstev bublin sníží výšku vlnění na pouhou desetinu|foto: Alban Sauret/Princeton University

Vlny v nádobách a hrozba vyšplíchnutí nejsou důležité jen při roznášení kávy nebo piva. Představují závažný problém při manipulaci s nebezpečnými kapalinami, jako jsou ropné produkty nebo plyny přivedené silným ochlazením do kapalného skupenství. Především v objemných tancích může vlnění hladiny vyvíjet značný tlak na stěny, což někdy vede až k prasknutí tanku. Pohyb kapalin v nádobách při jejich přepravě může komplikovat ovládání vozidla. Dressaireová a její kolegové doufají, že se jim podaří vyvinout systémy pro transport velkých objemů kapalin, při kterých budou negativní efekty vlnění hladiny a s nimi spojená rizika sníženy na minimum.

Výsledky výzkumu tlumících efektů pěny publikovala Emilie Dressaireová se svými kolegy v časopise Physics Fluids. Už v listopadu loňského roku je představili na 67. výročním zasedání American Physical Society konaném v San Francisku v názorném videu.

Zdroj: Physics Fluids, New York University Polytechnic School of Engineering