فیزیک حفظ آخرین تکه‌های سس کچاپ از پاشیدن

آهسته‌تر فشار دادن و دوبرابر شدن قطر نازل می‌تواند به جلوگیری از پاشیده شدن آن کمک کند
سس کچاپ یکی از محبوب‌ترین چاشنی‌ها در ایالات متحده به همراه سس مایونز است، اما بیرون آوردن آن چند عروسک آخر از بطری اغلب منجر به پاشیدن ناگهانی می‌شود. آزاردهنده است، بالقوه شرم آور است و می تواند لباس ها را خراب کند، اما آیا ما می توانیم کاری برای آن انجام دهیم؟ کالوم کاتل از دانشگاه آکسفورد طی یک کنفرانس مط

پاسخ به هر دو سوال، در هر Cuttle، کاملاً بله است. او همراه با همکارش در آکسفورد، کریس مک مین، یک سری آزمایش برای شناسایی نیروهای در حال بازی و ایجاد یک مدل نظری برای پاشیدن سس کچاپ انجام داد. از جمله جالب‌ترین یافته‌ها: فشار دادن آهسته‌تر بطری و دو برابر کردن قطر نازل به جلوگیری از پاشش آب کمک می‌کند. همچنین یک آستانه بحرانی وجود دارد که در آن جریان سس کچاپ به طور ناگهانی از پاشیده نشدن به پاشیدن تغییر می کند. یک مقاله پیش چاپ در arXiv پست شده است و در حال حاضر در حال بررسی همتایان است.

ادامه مطلب

دانشمندان هنوز در حال یادگیری چیزهای جدید جالبی در مورد لجن ماهی چاقو هستند

آیزاک نیوتن خواص چیزی را که به نظر او یک "مایع ایده آل" است، شناسایی کرد. یکی از این ویژگی‌ها ویسکوزیته است که به طور ضعیف به این صورت تعریف می‌شود که چقدر اصطکاک/مقاومت برای جریان در یک ماده وجود دارد. اصطکاک به این دلیل به وجود می آید که یک مایع روان اساساً مجموعه ای از لایه ها است که از روی یکدیگر می لغزند. هرچه یک لایه سریعتر روی لایه دیگر بلغزد، مقاومت بیشتری وجود دارد، و هر چه یک لایه کندتر روی لایه دیگر لغزد، مقاومت کمتری وجود دارد.

اما همه مایعات مانند مایع ایده آل نیوتن رفتار نمی کنند. در سیال ایده آل نیوتن، ویسکوزیته تا حد زیادی به دما و فشار بستگی دارد: آب به جریان خود ادامه می دهد - یعنی مانند آب عمل می کند - بدون توجه به نیروهای دیگری که بر آن وارد می شوند، مانند هم زدن یا مخلوط شدن. در یک سیال غیر نیوتنی، ویسکوزیته در پاسخ به یک کرنش یا نیروی برشی اعمال شده تغییر می‌کند و در نتیجه مرز بین رفتار مایع و جامد را به هم می‌زند. فیزیکدانان دوست دارند این را «نیروی برشی» بنامند: هم زدن یک فنجان آب نیروی برشی ایجاد می‌کند و آب قیچی می‌کند تا از مسیر خارج شود. ویسکوزیته بدون تغییر باقی می ماند. اما ویسکوزیته سیالات غیر نیوتنی با اعمال نیروی برشی تغییر می کند.

تبلیغات

سس کچاپ یک سیال غیر نیوتنی است. پر کردن خون، ماست، سس، گل، پودینگ، و پرکننده های غلیظ پای نمونه های دیگر همراه با اسلایم ماهی هاگ هستند. همه آنها از نظر رفتار کاملاً شبیه هم نیستند، اما هیچ یک از آنها به تعریف نیوتن از مایع ایده آل پایبند نیستند.

خردل، سس گوجه فرنگی و سس مایونز همگی نمونه هایی از مایعات غیرنیوتنی هستندبزرگ کردن / خردل، سس گوجه فرنگی و سس مایونز همگی نمونه هایی از مایعات غیر نیوتنی هستند

به عنوان مثال، سس کچاپ از مواد جامد گوجه فرنگی پودر شده تشکیل شده است که در مایع معلق هستند و آن را بیشتر به یک "نرم" تبدیل می کند. به گفته آنتونی استریکلند از دانشگاه ملبورن در استرالیا، جامد به جای مایع. مواد جامد برای ایجاد یک شبکه پیوسته به هم متصل می شوند و برای اینکه سس کچاپ جریان یابد، باید بر قدرت آن شبکه غلبه کرد - معمولاً با ضربه زدن یا ضربه زدن به بطری. هنگامی که این اتفاق می افتد، ویسکوزیته کاهش می یابد و هر چه بیشتر کاهش یابد، سس کچاپ سریعتر جریان می یابد. دانشمندان Heinz سرعت جریان یا سس گوجه فرنگی بهینه را 0.0045 در ساعت تعیین کرده اند.

وقتی فقط کمی سس گوجه فرنگی در بطری باقی می ماند، باید آن را بسیار سخت تر بکوبید و در نتیجه خطر پاشیدن آب را افزایش دهید. کاتل گفت: «تا زمانی که به انتها برسید، بیشتر چیزی که در داخل است هوا است. بنابراین وقتی فشار می‌دهید، کاری که انجام می‌دهید فشرده کردن هوا در داخل بطری است که فشاری ایجاد می‌کند که [سس گوجه فرنگی] را به بیرون می‌کشد.» نازل نیروی کششی چسبناکی را ایجاد می کند که با جریان چسبناک کچاپ مقابله می کند و تعادل بین آنها میزان جریان را تعیین می کند. با خالی شدن بطری، ویسکوزیته کاهش می یابد زیرا سس کچاپ کمتر و کمتری برای فشار دادن وجود دارد. و خروج مایع به این معنی است که فضای بیشتری برای انبساط هوا در داخل بطری وجود دارد و نیروی محرکه آن در طول زمان کاهش می‌یابد.

درک پویایی پیچیده‌ای که چرا جریان صاف ناگهان به یک پاشش شروع می‌شود. با ساده کردن مشکل Cuttle و MacMinn یک آنالوگ از یک بطری سس کچاپ ایجاد کردند، سرنگ ها (عمداً لوله های مویرگی) را با سس گوجه فرنگی پر کردند و سپس مقادیر مختلف هوا (از 0 تا 4 میلی لیتر) را با نرخ تراکم ثابت تزریق کردند تا ببینند تغییر مقدار هوا چگونه بر سرعت جریان تأثیر می گذارد. و اینکه آیا سس کچاپ پاشیده شده است. آنها آزمایش ها را با سرنگ های پر از روغن سیلیکون به منظور کنترل بهتر ویسکوزیته و سایر متغیرهای کلیدی تکرار کردند.

تبلیغات فیزیکدانان آکسفورد هوا را به سرنگ های پر از روغن سیلیکون تزریق کردند تا مدلی ریاضی برای فشردن سس کچاپ بسازند. out of a bottleبزرگنمایی / فیزیکدانان آکسفورد هوا را به سرنگ های پر از روغن سیلیکون تزریق کردند تا یک مدل ریاضی برای فشرده کردن سس کچاپ از یک بطری بسازند دانشگاه آکسفورد

نتیجه: سرنگ هایی با 1 میلی لیتر یا بیشتر از هوای تزریق شده اسپلتر تولید می شود. کاتل گفت: «این به ما می‌گوید که شما به مقداری هوا در سرنگ یا بطری نیاز دارید تا پاشیده شود و جریان ناپایدار ایجاد شود.» این یک آستانه بحرانی "پاشیدن سس" را تشکیل می دهد که در آن سس کچاپ بسته به عواملی مانند مقدار هوا، سرعت فشرده سازی و قطر نازل، از جریان صاف به اسپلتر تغییر می کند. در زیر آن آستانه، نیروی محرکه و خروج مایع متعادل است، بنابراین جریان روان است. در بالای آستانه، نیروی محرکه سریعتر از خروجی کاهش می یابد. هوا بیش از حد فشرده می شود، مانند فنر بسته، و آخرین ذره سس گوجه فرنگی در یک انفجار ناگهانی بیرون می زند.

"پاشیدن یک بطری سس کچاپ می تواند به بهترین حاشیه ها برسد. کاتل گفت: فشردن حتی اندکی بیش از حد به جای یک جریان ثابت مایع، باعث پاشیدن مایع می شود. یک نکته مفید این است که آهسته تر فشار دهید و در نتیجه سرعت فشرده شدن هوا را کاهش دهید. افزایش قطر نازل کمک بیشتری خواهد کرد، زیرا دریچه لاستیکی در دهانه می تواند خطر پاشش را تشدید کند. مسلماً، دریچه‌ها به جلوگیری از سرب کمک می‌کنند، اما همچنین شما را مجبور می‌کنند تا مقدار معینی فشار ایجاد کنید تا سس کچاپ از بطری جریان پیدا کند. کاتل توصیه می‌کند درب بطری را زمانی که تقریباً خالی است، بردارید، به عنوان یک هک عملی، و آخرین تکه‌های سس کچاپ را از گردن پهن‌تر بیرون بیاورید.

"این عقل سلیم است، اما اکنون یک چارچوب ریاضی دقیق وجود دارد. کاتل گفت. و گازی که مایعی را از مسیر خارج می کند، چیزی است که در بسیاری از زمینه های دیگر اتفاق می افتد. این شامل سفره های زیرزمینی برای ذخیره دی اکسید کربن جذب شده، انواع خاصی از فوران های آتشفشانی، و باد کردن مجدد ریه های فرو ریخته است.

DOI: arXiv, 2022. 10.48550/arXiv.2112.12898  (About DOI).

s.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *