物理学者はラテのコーヒーとミルクの層を研究しました

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物理学者はラテのコーヒーとミルクの層を研究しました
物理学者はラテのコーヒーとミルクの層を研究しました
Anonim
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密度の低い液体を密度の高い液体に注ぐと、混合されますが、混合物がさらに冷えると、はっきりと区別できる層がその中に現れる場合があります。たとえば、この分離はラテ(コーヒーとミルクの混合物)で発生します。米国、スウェーデン、韓国の物理学者は、この現象を詳細に研究し、特定の臨界注入率があり、それを下回ると層への分離が発生しないことを示しました。この記事はNatureCommunicationsに掲載されました。

ラテを作るには、摂氏約50度に加熱した少量のエスプレッソ(約30ミリリットル)とミルク(150ミリリットル)を混ぜる必要があります。もちろん、比率と温度は異なる場合がありますが、記事の著者はこのレシピに固執しました。コーヒーをミルクに注ぐと、液体が混ざり合い、複雑な混沌とした構造が現れます(写真b)。しかし、時間の経過とともに混合物は冷え、コーヒーの濃度が異なる多くの層がその中に形成されるため、それらの間の境界が見やすくなります(写真c)。この構造が非常に長い間持続することは注目に値します-それは数十分後でも識別できます(写真d)。

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ラテで重ね着

このプロセスに触発されて、米国、スウェーデン、韓国の物理学者は、さまざまな密度の液体がどのように混合されるかをより詳細に研究することを決定しました。便宜上、彼らはコーヒーと牛乳ではなく、着色水(密度0、992グラム/立方センチメートル)と9.1パーセントの塩化ナトリウム水溶液(1.056グラム/立方センチメートル)を選択しました。注入する水の量は30ミリリットル(コーヒーの場合と同じ)で、液体の初期温度は摂氏40度で、得られた混合物を室温(22度)に冷却しました。ユニットは、いくつかの異なる速度で水を注入することができます。

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実験セットアップ図

成層化プロセスは、注入される水の速度に大きく依存することが判明しました。したがって、毎秒0.17メートルの速度では、層間剥離は発生しませんでした。すべての塗料が表面近くの小さな層に蓄積し、液体の密度が滑らかに変化しました。一方、毎秒0.37メートルの速度では、層が現れ、塗料がより深く広がりました。一般的に言えば、層の形成は、毎秒約0.21メートルに等しい特定の危険速度で停止しました。興味深いことに、溶液と一緒にジャーをわずかに振った場合でも、層への分離は消えませんでした。

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着色水が0.17(上)および0.37メートル/秒(下)の注入速度で注入された溶液の層間剥離。点線は、レイヤー間のインターフェイスを示します。

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注入後30分の深さへの溶液の密度の依存性。黒い線は速度0、17、青-0、毎秒37メートルの場合を示しています

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さまざまな注入速度での溶液の定常状態密度勾配。空の円は、レイヤーがないことに対応し、塗りつぶされている-存在することに対応します

実際の液体での実験に加えて、物理学者は、液体中の拡散と熱伝達のプロセスによって決定されると仮定して、層への分離を数値的にシミュレートしました。科学者は、溶液の入ったジャーの下面と上面の温度差は一定であると考えました。得られた写真は、一般的に実験データと一致していました。

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注入後の異なる時間間隔での溶液中の密度(左)と速度場(右)の数値計算の結果

さらに、科学者たちは、彼らが調査したプロセスを使用して、明確に区別できる層を備えた柔らかい材料を作成できることを示しました。これを行うために、彼らはホットゲル溶液(UltraPureTM Agarose、Invitrogen)を毎秒約1メートルの速度で溶媒に注入し、それを室温まで冷却しました。その結果、彼らは異なる特性を持つゲル層のセットを取得しました。たとえば、上層と下層のヤング率はほぼ5倍異なっていました。

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ゲル実験

物理学者は最近、冷たいミルクの滴がホットコーヒーに落ちるときの別の興味深い効果を調査しました。液滴と表面の間のギャップの温度差により、ガスの流れが励起され、液滴が浮揚することがわかります。

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