Tout est question d’élan – et de petites quantités de liquide au niveau du bec verseur.
Des scientifiques de l’Université technique de Vienne répondent à une question très ancienne : Comment expliquer le fameux “effet théière” ?
L'”effet théière” menace depuis longtemps les nappes blanches immaculées : si un liquide est versé trop lentement d’une théière, il arrive que le flux de liquide ne se détache pas de la théière pour se retrouver dans la tasse, mais goutte à l’extérieur de la théière.
Ce phénomène a été étudié scientifiquement pendant des décennies. Aujourd’hui, une équipe de chercheurs de l’Université technique de Vienne a réussi à décrire l'”effet théière” de manière complète et détaillée grâce à une analyse théorique élaborée et à de nombreuses expériences : Une interaction de différentes forces maintient une minuscule quantité de liquide directement sur le bord, ce qui suffit à rediriger l’écoulement du liquide dans certaines conditions.
Un effet qui a une longue histoire
L'”effet théière” a été décrit pour la première fois par Markus Reiner en 1956. Reiner a obtenu son doctorat à l’Université technique de Vienne en 1913, puis a émigré aux États-Unis, où il est devenu un important pionnier de la rhéologie, la science du comportement d’écoulement. À maintes reprises, les scientifiques ont tenté d’expliquer précisément cet effet. Les travaux sur ce sujet ont été récompensés par le “prix Nobel IG” satirique en 1999. Aujourd’hui, la recherche sur l’effet théière a bouclé la boucle, puisqu’elle a été étudiée dans l’alma mater de Reiner, la TU Wien, par une équipe autour du Dr Bernhard Scheichl, maître de conférences à l’Institut de mécanique des fluides et de transfert de chaleur et scientifique principal au Centre d’excellence autrichien pour la tribologie (AC2T research GmbH), en coopération avec le département de mathématiques de l’University College London.
L’effet théière à différents débits. Crédit : TU Wien
“Bien qu’il s’agisse d’un effet très courant et apparemment simple, il est remarquablement difficile de l’expliquer exactement dans le cadre de la mécanique des fluides”, explique Bernhard Scheichl. Le bord tranchant de la face inférieure du bec de la théière joue le rôle le plus important : une goutte se forme, la zone située directement sous le bord reste toujours humide. La taille de cette goutte dépend de la vitesse à laquelle le liquide s’écoule de la théière. Si la vitesse est inférieure à un seuil critique, cette goutte peut diriger tout le flux autour du bord et dégouline sur la paroi extérieure de la théière.
“Nous avons maintenant réussi pour la première fois à fournir une explication théorique complète de la raison pour laquelle cette goutte se forme et pourquoi la face inférieure du bord reste toujours mouillée”, déclare Bernhard Scheichl. Les mathématiques sont compliquées : il s’agit d’une interaction entre les forces d’inertie, visqueuses et capillaires. La force d’inertie fait en sorte que le fluide tende à conserver sa direction initiale, tandis que les forces capillaires ralentissent le fluide au niveau du bec. L’interaction de ces forces est à la base de l’effet théière. Cependant, les forces capillaires font en sorte que l’effet ne commence qu’à partir d’un angle de contact très spécifique entre la paroi et la surface du liquide. Plus cet angle est petit ou plus le matériau de la théière est hydrophile (c’est-à-dire mouillable), plus le détachement du liquide de la théière est ralenti.
Le thé dans l’espace
Il est intéressant de noter que la force de la gravité par rapport aux autres forces en présence ne joue pas un rôle décisif. La gravité détermine simplement la direction dans laquelle le jet est dirigé, mais sa force n’est pas décisive pour l’effet théière. L’effet théière serait donc également observé lorsque l’on boit du thé sur une base lunaire, mais pas sur une station spatiale sans gravité.
Les calculs théoriques sur l’effet théière ont été publiés par l’équipe de recherche en septembre 2021 dans le Journal of Fluid Mechanics. Maintenant, des expériences ont également été réalisées : De l’eau a été versée d’une théière inclinée à différents débits et filmée avec des caméras à grande vitesse. De cette manière, il a été possible de montrer exactement comment le mouillage du bord en dessous d’un taux de versement critique conduit à “l’effet théière”, confirmant ainsi la théorie.
Référence : “Developed liquid film passing a smoothed and wedge-shaped trailing edge : small-scale analysis and the ‘teapot effect’ at large Reynolds numbers” par B. Scheichl, R.I. Bowles et G. Pasias, 8 septembre 2021, Journal of Fluid Mechanics (en anglais).
DOI : 10.1017/jfm.2021.612
