por Jonathan Gagne

Jesse Lambert, miembro de mi Canal de telegramas, recientemente me llamó la atención sobre un tema realmente interesante papel de física por Knight, Jaeger & Nagel que ahora creo que puede ser relevante para nuestra comprensión de migración de multas en la preparación de café. Hay algunas consideraciones que podrían complicar su aplicación al café, pero volveré a ellas al final del post.

Primero, permítanme resumir mi punto de vista migración de multas antes de haber leído ese documento. Quizás recuerde que cuando hablamos de la distribución del tamaño de las partículas de café, a menudo llamamos a las más pequeñas finos y los cantos rodados más grandes. Cuando usamos la palabra migración en este contexto, generalmente nos referimos a finos preferentemente moviéndose hacia el fondo del lecho de café durante la preparación. Esto también se denomina a veces efecto de la nuez de Brasil porque los fragmentos tenderán a acumularse en el fondo de un recipiente donde se almacenan los alimentos secos.

Este fenómeno de finos moverse hacia el fondo del lecho de café es principalmente relevante para los métodos de percolación, es decir, aquellos en los que vertimos agua sobre el café y usamos los granos molidos como parte del sistema de filtración. Nos preocupamos por esto porque la acumulación de finos cerca del filtro que mantiene unido el lecho de café puede tener suficientes poros bloqueados para causar obstrucciones. Cuando un filtro se obstruye, ralentizará el flujo de agua de una manera mal controlada, y esto también dará como resultado un flujo menos distribuido y, por lo tanto, una extracción a través del lecho de café. Si está interesado en leer más sobre esto, vea esta publicación anterior que escribí sobre el tema.

El efecto de la nuez de Brasil observado en un frasco de comida para gatos. Los fragmentos más pequeños tienden a acumularse en el fondo del frasco.

Mi comprensión previa de cómo migración de multas Ocurrió que, en presencia de vibraciones lo suficientemente fuertes como para levantar rocas de café, algunos espacios más grandes entre ellos aparecerían momentáneamente y permitirían finos caer hacia el fondo. Este video muestra este mecanismo en acción. Si bien todavía puede suceder, el hallazgo clave del artículo de Knight es que este efecto no es necesario para migración de multas que se produzca ! Incluso si las vibraciones son demasiado débiles para levantar las rocas o hacer que salten, un mecanismo completamente diferente puede causar la finos para tapar los poros de su filtro de café, y sus detalles son increíblemente interesantes.

Para resolver esto, el equipo de científicos dirigido por Knight colocó bolas de vidrio de forma idéntica en un recipiente cilíndrico y agregó una sola bola más grande con la misma densidad de masa que las otras. Pintaron la bola grande y un par de pequeñas con un color brillante para que pudieran rastrear fácilmente sus desplazamientos, y colocaron un dispositivo al contenedor que puede imitar un golpecito corto de una manera muy controlable. De esta manera, podrían golpear artificialmente el contenedor tantas veces como quisieran, siempre con la misma fuerza y duración exactas. Todo lo que tenían que hacer entonces era encender el tapping y observar cómo se movían las bolas de colores. Para sorpresa de los científicos, en realidad no era necesario levantar ninguna pelota para que sucediera algo. En cambio, las bolas cerca de los bordes del contenedor fueron empujadas hacia abajo por las fuerzas de fricción de las paredes que vibraban contra las bolas, lo que inició un flujo cíclico en todo el contenedor que se parece mucho a la convección en un líquido caliente.

La imagen de arriba muestra una secuencia temporal de movimiento en un recipiente cilíndrico cuando se golpea muchas veces. Algunas de las bolas fueron coloreadas para realizar un seguimiento de su movimiento. Las bolas contra las paredes fluyen hacia abajo y empujan las partículas centrales hacia arriba, iniciando un flujo cíclico similar a la convección. Fuente: Knight y col. (1993), modificado.

Como puede ver en la imagen de arriba, las bolas de vidrio que entran desde arriba están empujando la capa inferior de bolas hacia el centro del contenedor, y esas a su vez empujan las bolas centrales inferiores hacia arriba. Cuando llegan a la superficie, migran hacia las paredes del contenedor, y eso completa el ciclo en el que son empujados nuevamente hacia abajo por la vibración.

En la naturaleza, la convección se puede observar en todo tipo de lugares donde un fluido se calienta rápidamente; en la superficie del sol, en una olla de agua hirviendo, en una sopa de miso caliente, especialmente justo después de quitar la tapa, o incluso en una pequeña taza de té en un ambiente fresco con la iluminación adecuada. No creo que el movimiento de las bolas pueda llamarse convección propiamente dicha, pero seguro que se mueven de forma muy similar.

La imagen de arriba muestra células de convección en la superficie del Sol. Grandes burbujas de gas caliente (más brillantes) fluyen hacia arriba y capas delgadas de gas frío (más tenues) fluyen hacia abajo entre las burbujas. La naturaleza cíclica de este flujo es similar a lo que se observa en un cilindro roscado de bolas de vidrio. Fuente: Universidad de Wisconsin-Madison.

En la imagen de arriba, puede ver la convección que tiene lugar en la superficie del Sol; las células del fluido caliente que se mueve hacia arriba y los intersticios del fluido ligeramente más frío que se mueve hacia abajo tienen un aspecto similar al contenedor de bolas de vidrio. De hecho, este último casi parece una gran celda de convección que sube por el centro del cilindro.

Si todas las bolas tuvieran el mismo tamaño, el resultado sería un movimiento lento y cíclico alrededor del recipiente. Pero algo se vuelve loco cuando la bola de vidrio más grande se acerca a la pared del cilindro en la capa superior. Es demasiado grande para caber en el flujo descendente y se atasca en la capa superior. Si tuviera muchas bolas grandes, eventualmente todas quedarían atrapadas cerca de la parte superior del recipiente. Si imagina una gran cantidad de nueces grandes con cierta cantidad de fragmentos de nuez, al cabo de un rato terminaría con todo el polvo en la parte inferior y, por lo tanto, observaría el efecto de la nuez de Brasil.

Para verificar su hipótesis de que todos los flujos fueron impulsados por la fricción con las paredes del contenedor, repitieron el experimento usando un contenedor con un lado áspero y otro liso. El lado rugoso proporciona mucha más fricción y, como esperaban, condujo un flujo descendente mucho más importante cerca del borde rugoso de la pared del contenedor:

En la imagen de arriba, el lado derecho del recipiente cilíndrico es rugoso y proporciona fricción, mientras que el lado izquierdo es liso y casi no proporciona fricción. Como consecuencia, el flujo descendente solo ocurre en el lado derecho. Fuente: Knight y col. (1993).

El equipo de científicos no se detuvo ahí. Decidieron probar otra forma de recipiente y, sorprendentemente, decidieron estudiar el comportamiento de un cono, ¡lo que lo hace muy relevante para las cervezas V60! Repitieron el mismo experimento y observaron algo impactante. El flujo se invirtió por completo, y esto provocó que las bolas más grandes quedaran atrapadas en la parte inferior, en lugar de en la superficie.

Un recipiente cónico invierte la dirección de los flujos de convección, lo que hace que las bolas más grandes se atasquen en la parte inferior. Fuente: Knight y col. (1993), modificado.

También observaron que el grosor del flujo del borde ascendente era un poco mayor en comparación con la carcasa del cilindro. En principio, esto podría significar que cantos rodados ligeramente más grandes pueden completar el ciclo completo en lugar de quedarse atascados en algún lugar, en comparación con la caja del cilindro.

Otro artículo científico de Hejmady y coautores mostró esta hermosa secuencia de cómo las capas de esferas de colores evolucionan con la vibración para resaltar los detalles de la estructura del flujo:

Capa superior de fotos: secuencia temporal de cómo las vibraciones afectan las capas de bolas de colores. Capa inferior: similar con la excepción de una bola grande que se incluye para mostrar cómo queda atrapada en la superficie. Fuente: Hejmady y col. (2012).

También muestran una bonita visualización de la dirección del flujo en una imagen superpuesta similar a una foto de larga exposición:

Este video también muestra una gran visualización del fenómeno.

Con todos estos resultados en mente, podría pensar que un recipiente en forma de V podría funcionar contra la obstrucción de un filtro porque lo haría concentrado las rocas en la parte inferior en lugar de la finos, pero eso es además del punto porque el finos circular alrededor de los bordes del filtro de papel contribuiría a obstruirlo, independientemente de la dirección en la que fluyan. Multas lo suficientemente pequeño como para penetrar los poros del filtro de papel se atascará en él, por lo que cualquier tipo de movimiento que genere más finos en las proximidades del filtro contribuirá a llegar al punto donde el filtro se obstruye. En otras palabras, golpear un filtro cónico o cilíndrico contribuirá a obstruir el filtro, incluso si atrapan los cantos rodados en diferentes regiones del lecho de café.

Estos conceptos también podrían aplicarse a la preparación de café de un par de formas más:

- Se podría usar un cilindro vibratorio para levantar rocas hasta la parte superior de una dosis de café molido para sacarlo y hacer que la distribución de partículas sea más estrecha. Esto sería similar a tamizar, pero podría ser un poco más conveniente y rápido. Sin embargo, probablemente compartiría algunas de las desventajas del tamizado, por ejemplo, probablemente sería complicado y difícil de replicar exactamente.

- Los ángulos de las paredes de una cafetera cónica probablemente podrían elegirse para minimizar cualquier desplazamiento de partículas en la cafetera incluso en presencia de vibraciones. Como analiza el artículo de Knight, el hecho de que las paredes muy inclinadas inviertan el flujo probablemente significa que hay una geometría con paredes menos inclinadas, entre este cono en particular y un cilindro, que detendría todo movimiento de la bola. Los bordes muy suaves también podrían lograr esto, pero recuerde que los bordes de un lecho de café son el filtro de papel en sí, y parece inverosímil tener un filtro de papel muy suave y sin fricción.

- Si tuviéramos un filtro que no se pueda taponar, podríamos utilizar esta reorganización de las partículas del lecho de café para que la extracción sea más uniforme. Normalmente, el fondo del lecho de café solo entra en contacto con agua concentrada, y esto hace que el fondo extraiga menos y de una manera diferente: extraerá preferentemente los químicos que aún no están disueltos en agua, ver este post anterior que escribí para más sobre esto. Las cafeteras cónicas compensan en parte esto al hacer pasar una mayor cantidad de agua a través del fondo del lecho de café debido a su geometría, y esto evita que el fondo se extraiga insuficientemente. Sin embargo, esta es una solución imperfecta, porque la parte inferior de la cama de café todavía extrae de una manera diferente. Usar la vibración para reorganizar el lecho de café sin obstruir el filtro sería increíble, pero un verdadero desafío: requeriría que la distribución de las partículas de café fuera muy uniforme y que los poros del filtro también fueran muy uniformes y más pequeños que las partículas de café. .

Es importante tener en cuenta que estos documentos se basan en un escenario idealizado que podría hacer que su aplicación a la preparación del café sea menos sencilla. Aquí hay algunas advertencias en las que podría pensar, pero puede haber más:

- La presencia de agua en la cafetera proporciona fuerzas adicionales (arrastrando a lo largo de las corrientes y flotabilidad ascendente) que pueden introducir diferentes desplazamientos de las partículas de café. En presencia de vibración, el flujo de partículas descrito anteriormente probablemente todavía ocurre, pero podría ser arrastrado por efectos más fuertes.

- Los científicos que llevaron a cabo estos experimentos utilizaron un tipo muy específico de tapping con un solo 30 Hz frecuencia vibración. Es posible que cambiando eso frecuencia podría afectar la fuerza o incluso la dirección de los flujos de partículas. En la práctica, los golpecitos con los dedos pueden provocar vibraciones de frecuencias diferentes e incluso variables.

- Las formas de las partículas de café están lejos de ser esféricas, lo que podría afectar estos resultados. De manera similar, en escenarios reales tenemos una amplia variedad de tamaños de partículas, no solo partículas pequeñas uniformes y una partícula grande. Creo que esos efectos son un problema menos probable, porque se observan flujos de tipo convección incluso en contenedores de frutos secos y alimentos secos de forma y tamaño desiguales.

- Es importante tener en cuenta que las vibraciones fuertes o las fuerzas ascendentes aún pueden levantar rocas y causar finos caer entre las grietas. Esto significa que incluso en un escenario donde la geometría de un contenedor previene desplazamientos de tipo convección, este tipo alternativo de migración de multas todavía podría suceder.

¡Espero que hayas encontrado estos resultados tan interesantes como yo! ¡También me gustaría agradecer a Jesse Lambert por desenterrar estos papeles!