Fizyka w latte macchiato

wpis w: Nauka, Wszystkie | 0

W drodze nowego badania odtworzono w laboratorium stratyfikację powstającą podczas wlewania wrzącej kawy do szklanki gorącego mleka, odkrywając, że układ warstw tworzy się tylko w przypadku określonych szybkości wlewania. Wynik tego badania może być przydatny w różnych zastosowaniach przemysłowych.

Wlewając z określoną prędkością wrzące espresso do szklanki gorącego mleka można zaobserwować powstawanie odrębnych warstw tych dwóch różnych płynów. Nie jest to wynik kolejnego „nieprawdopodobnego badania” kandydującego do nagrody Ig Nobla, ale rezultat jak najbardziej poważnej pracy naukowej, opublikowanej na łamach Nature Communications przez Howarda Stone’a z Uniwersytetu Princeton i jego współpracowników z międzynarodowego projektu. Odkrycie to w istocie ma duże znaczenie, ponieważ objaśnia metodę, która może okazać się bardzo pomocna w przemyśle, np. w wytwarzaniu struktur warstwowych w miękkich materiałach.

Wielu naukowców bada w kontrolowanych warunkach laboratoryjnych, w jaki sposób odmienne temperatury cieczy warunkują różne układy nakładania się warstw. Pierwszym podstawowym mechanizmem, który wpływa na mieszanie się cieczy, jest ruch konwekcyjny – cieplejsze płyny stają się rzadsze i mają tendencję do wznoszenia się w kierunku powierzchni, podczas gdy te chłodniejsze gęstnieją i mają tendencję do opadania na dno naczynia. Mówimy natomiast o konwekcji podwójnie dyfuzyjnej, gdy dwa różne gradienty współistnieją w tej samej cieczy, jak chociażby gradient temperatury i gradient zasolenia w przypadku wody oceanicznej, która dzięki temu może wytwarzać wyraźną stratyfikację.

Aby zrozumieć, w jaki sposób stratyfikacja może wystąpić w codziennych sytuacjach, takich jak podczas przygotowywania cappuccino czy latte macchiato, Stone i jego współpracownicy przeprowadzili szereg eksperymentów ze zmieszanymi ze sobą cieczami, odtwarzając zachowanie się napojów na bazie kawy (zasadniczo była to wrząca woda, odpowiednio zabarwiona pigmentem, wlana do roztworu soli fizjologicznej).

W ten sposób zostało zidentyfikowane zjawisko konwekcji podwójnie dyfuzyjnej, odpowiedzialnej za tworzenie się warstw o różnej gęstości. Przedmiotowe eksperymenty wykazały, że istnieje konkurencja między gradientem termicznym wynikającym z różnicy temperatur między wrzącym espresso i gorącym mlekiem, oraz gradientem gęstości, wynikającym z różnic gęstości pomiędzy dwoma rodzajami cieczy – kawą i mlekiem.

Niemniej, najważniejszym wnioskiem wypływającym z badania jest ten, że istnieje ściśle określony próg prędkości konieczny do wytworzenia się warstw – poniżej tego progu ciecze mieszają się, ale się nie rozwarstwiają. Według naukowców ten fakt może być przydatny do łatwego i powtarzalnego odtwarzania warstw wewnątrz miękkich materiałów i w warunkach przemysłowych. Proponowana strategia stratyfikacji mogłaby mieć obiecujące zastosowania przede wszystkim w bromatologii i materiałoznawstwie.

Źródło: Nature Communications
Grafika: bonappetit.com