När en droppe kaffe träffar vätskeytan i koppen, ett karaktäristiskt torn av kaffe bildas under en mycket kort tid, ibland även med en ny droppe ovanpå. I en tidning som dök upp i Fysiska granskningsvätskor i dag, ett team av forskare från Amsterdam, Delft och Paris kastar nytt ljus över denna invecklade effekt.

Effekten av strålbildning är inte speciellt för kaffe:samma effekt kan ses till exempel när en regndroppe träffar en damm. När istället för kaffe, en droppe mjölk tappas på en kaffeyta, en annan intressant effekt observeras:vätsketornet kommer att vara mestadels vitt. Det är, det är inte kaffet som skvätter uppåt, det är mjölken som "studsar tillbaka."

Inte bara gravitationen

Cees van Rijn, huvudförfattare till den nya publikationen, säger:"En grov förklaring till den jetbildande effekten har varit känd sedan länge. När en droppe träffar vätskeytan, ytan kan få en tillfällig "slagkrater." När vätskan har runnit tillbaka till mitten av denna krater, den har ingen annanstans att ta vägen än uppåt, vilket är hur jetplanen bildas."

Dock, trots mer än ett sekel av forskning, de exakta detaljerna i processen var fortfarande oklara. Särskilt, att förstå den varierande hastigheten med vilken jetplanet rör sig uppåt var lite av en gåta. När forskarna undersökte olika vätskor med laserljus och snabbkameror, de fann att precis efter bildandet, hastigheten i strålarna saktar ner i en otrolig hastighet. Van Rijn:"Man kan förvänta sig att den främsta anledningen till att strålen saktar ner är på grund av gravitationen som drar vätskan nedåt. vi observerade att precis efter bildandet, retardationen kan vara fem till till och med tjugo gånger starkare än vad som kan förklaras enbart av gravitationen."

Att bygga en modell

Forskarna förmodade att den huvudsakliga faktorn som var ansvarig för denna extrema avmattning var vätskans ytspänning - samma typ av spänning som gör att såpbubblor kan bildas. Det yttre lagret av vätska på tornet fungerar på samma sätt som en sådan bubbla, och dess krökning tvingar strålen att sakta ner och så småningom dra ihop sig - mycket snabbare än man kan ha förväntat sig baserat på enbart gravitationen. Van Rijn tillägger:"Effekten är som starkast när strålen precis har bildats. När vätskan har nått sin högsta punkt, situationen är i princip tillbaka till det normala:vätskan faller tillbaka med högst dubbelt så hög acceleration som tyngdkraften orsakar, och har tappat sin sista bit av extra acceleration när ytan nås igen. Hela den intrikata processen äger rum på ungefär en tiondels sekund."

Med denna förklaring i åtanke, fysikerna satte sig för att skapa en matematisk modell för att beskriva jetformationen. Modellen använde sig av en annan överraskande egenskap hos strålarna:de ser alltid ungefär likadana ut - strålens höjd och bredd varierar över tiden, men förutom det ändras inte formen. Denna egenskap av "självlikhet" gjorde det möjligt för forskarna att skapa en mycket exakt modell, som jämfört med mätningar på olika vätskor som vatten, etanol och en blandning av vatten och glycerol, mycket exakt matchade alla observationer.

In i rymden

Fysikerna funderar redan på nästa steg i sitt program – faktiskt, de överväger att ta experimenten ut i rymden. Van Rijn:"Det skulle vara väldigt trevligt att helt bli av med gravitationen och förstå rollen av ytspänning ensam. Vi skulle älska att göra vår nästa uppsättning experiment i den internationella rymdstationen för att se exakt vad som händer i en gravitationsfri miljö ."