Slojevanje u kafićima nudi uvid u inženjerstvo, medicinu i okoliš

Biblical Series I: Introduction to the Idea of God (Lipanj 2019).

Anonim

Za svakoga tko se divio bogatim obojenim slojevima u kavani, niste sami. Istraživači Princetona, isto tako zainteresirani, sada su otkrili kako se ta struktura u nizu razvija kad se espresso ulije u vruće mlijeko.

"Nastajanje strukture u latte je iznenađujuće jer se evoluira iz kaotičnog, inicijalnog lijevanja i miješanja tekućina u vrlo organiziranu, razgranatu raspored slojeva", rekao je Nan Xue, glavni autor radova koji opisuje nalaze u Nature Communicationsu i diplomirani student u laboratoriju Howarda Stonea, Donald R. Dixon'69 i Elizabeth W. Dixon, profesor strojarstva i zrakoplovstva u Princetonu.

Tehnike bušenja za postizanje traženih slojeva tekućom tekućinom jedna u drugu moglo bi smanjiti troškove i složenost u nizu primjena.

"Iz perspektive proizvodnje, jedan proces izlijevanja mnogo je jednostavniji od tradicionalnog sekvencijskog slaganja slojeva u slojevitom proizvodu", rekao je Stone. "U jednoj primjeni ove studije, istražujemo fiziku koja stvara slojevitu strukturu s jednim korakom, a ne složenjem slojeva".

Inspiracija za istraživački projekt došla je iz neželjene, e-poštanske slike slojevite piće kave poslane Stoneu. Kad je Xue tražio projekt koji je započeo dok je započeo svoj diplomski rad, u početku je istraživao koncept pripreme latta u laboratoriju, koristeći kavu i mlijeko kupljene u trgovini.

Nakon nekoliko pokušaja, postalo je jasno da Xue ostaje unutar samo određenih parametara, kao što su temperature i stope za sipa, dopušteno za karakterističan kafić latte. Ti se napori oslanjaju na temeljnu, mjerljivu fiziku koja je morala biti uključena u nastajanje likvidne strukture.

Kako bi preciznije kontrolirali svoj model raslojavanja lattea, Xue i njegovi kolege odlučili su se za pripravu u staništu, što bi rezultiralo šumom barista: obojena voda koja zamjenjuje vruću kavu i slanu, gušće vodu za toplo mlijeko.

Panel svjetlećih dioda i fotoaparat zatim su osvjetljavali i uhvatili kretanje tekućina unutar izmišljotina. Istraživači su zasijavali smjesu s česticama za praćenje, koje su raspršile svjetlost od zelene laserske zrake, kako bi dodatno pratili unutarnju dinamiku faux-latte, tehniku ​​koja se naziva brzinomjerom čestica. Konačno, provedene su numeričke simulacije za usporedbu prikupljenih podataka s različitim modelima razvijajućeg sustava miješanja tekućina.

Sveukupna analiza pokazala je da je primarni mehanizam iza raslojavanja fenomen poznat kao dvostruko difuzna konvekcija. Pojavljuje se kada se nakupljajuće tekućine različite gustoće, gravitacije potiskuju da pomiješaju njihov sadržaj, razmjenjuju toplinu kroz kretanje njihovih sastavnih materijala. Unutar dane mješavine, guste, hladnije tekućine potonu, dok se upaljaju, toplije tekućine rastu. Međutim, ovo potapanje i ustajanje prestaju, kada lokalna gustoća u regiji unutar latte priliči ravnoteži. Kao rezultat, tekućina mora voditi vodoravno, umjesto vertikalno, stvarajući različite bendove ili slojeve.

Kroz svoje eksperimente, istraživači su ispitivali kako i brzina ubrizgavanja tekućine toplih mlijeka. Ako se prelije polako, gustija se tekućina previše ravnomjerno miješa dok ulijeva u manje gustu tekućinu. Brža brzina izlijevanja uzrokuje da prva osoba probija kroz potonje i aktivira brze pokrete koji kulminiraju u željenoj slojevima kada se utvrde ravnoteža gustoće.

Potrebno je obaviti dodatne radnje kako bi se karakterizirao učinak raslojavanja koji je prikazan u lattes kako bi se proširila kontrola na druge ravninske tekućine i polukrute tvari. No preliminarni nalazi Xue i njegovih kolega već su pokazali kako bi aktivnost unutar zajedničkog napitka mogla dovesti do neuobičajenih uvida.

"Ovaj rezultat pokazuje ljepotu mehanike fluida i vrlo je značajan", rekao je Detlef Lohse, profesor fluidne mehanike na Sveučilištu Twente u Nizozemskoj koji nije bio uključen u studiju. "Mislim da će to utjecati na različite industrijske tokove i postupke miješanja u takozvanoj procesnoj tehnologiji u kojoj je sveprisutno miješanje tekućina s različitim gustoćama ubrizgavanjem jednog u drugu."

Lohse je nadalje istaknuo kako bi istraživanje Princetona moglo pomoći u boljem objašnjavanju tokova vode ovisnih o toplini i slanju u golemim oceanima Zemlje, fenomen koji ima ključne implikacije u klimatologiji i ekologiji. "Najzanimljiviji nalaz može biti da postoji savršena analogija između raslojavanja u kafiću", rekao je Lohse, "i poznati i iznimno relevantni raslojavanje vode s različitim temperaturama i koncentracijama soli u oceanu".

menu
menu