por Jonathan Gagne

Jesse Lambert, um membro do meu Canal de telegrama, recentemente chamou minha atenção para um fato realmente interessante artigo de física por Knight, Jaeger & Nagel que agora penso que pode ser relevante para a nossa compreensão de migração de multas na preparação do café. Existem algumas considerações que podem complicar sua aplicação ao café, mas voltarei a elas no final do post.

Primeiro, deixe-me resumir minha visão sobre migração de multas antes de ler aquele artigo. Você deve se lembrar que quando discutimos a distribuição de tamanho das partículas de café, geralmente chamamos as menores de multas e os maiores pedregulhos. Quando usamos a palavra migração neste contexto, geralmente nos referimos a multas movendo-se preferencialmente em direção ao fundo da cama de café durante a preparação. Às vezes, isso também é chamado de efeito castanha-do-pará porque os fragmentos tendem a se acumular no fundo de um recipiente onde os alimentos secos são armazenados.

Este fenômeno de multas mover-se em direção ao fundo do leito de café é mais relevante para os métodos de percolação, ou seja, aqueles em que despejamos água sobre o café e usamos o próprio pó como parte do sistema de filtração. Nós nos preocupamos com isso porque o acúmulo de multas perto do filtro que mantém o leito de café unido pode ter seus poros bloqueados o suficiente para causar entupimento. Quando um filtro fica obstruído, ele retardará o fluxo de água de uma forma mal controlada, o que também resultará em um fluxo distribuído de maneira menos uniforme e, portanto, na extração através do leito de café. Se você estiver interessado em ler mais sobre isso, veja este post anterior que escrevi sobre o assunto.

O efeito da castanha-do-pará observado em um pote de comida de gato. Os fragmentos menores tendem a se acumular no fundo do frasco.

Minha compreensão anterior de como migração de multas O que ocorreu foi que, na presença de vibrações fortes o suficiente para levantar pedras de café, algumas lacunas maiores entre elas apareceriam momentaneamente e permitiriam multas cair em direção ao fundo. Este vídeo mostra esse mecanismo em ação. Embora ainda possa acontecer, a principal conclusão do artigo de Knight é que este efeito não é necessário para migração de multas ocorrer ! Mesmo que as vibrações sejam demasiado fracas para levantar as pedras ou fazê-las saltar, um mecanismo totalmente diferente ainda pode fazer com que o multas para obstruir os poros do filtro de café, e seus detalhes são incrivelmente interessantes.

Para descobrir isso, a equipe de cientistas liderada por Knight colocou bolas de vidro de formato idêntico em um recipiente cilíndrico e adicionou uma única bola maior com a mesma densidade de massa das outras. Eles pintaram a bola grande e algumas pequenas com uma cor brilhante para que pudessem rastrear facilmente seus deslocamentos, e anexaram ao recipiente um dispositivo que pode imitar uma batida curta de uma forma muito controlável. Dessa forma, eles poderiam bater artificialmente no recipiente quantas vezes quisessem, sempre com a mesma força e duração. Bastava então ligar a torneira e observar como as bolas coloridas se moviam. Para surpresa dos cientistas, nenhuma bola precisou ser levantada para que algo acontecesse. Em vez disso, as bolas perto das bordas do recipiente foram empurradas para baixo pelas forças de atrito das paredes que vibravam contra as bolas, o que iniciou um fluxo cíclico em todo o recipiente que se parece muito com a convecção num líquido quente.

A imagem acima exibe uma sequência temporal de movimento em um recipiente cilíndrico conforme ele é batido várias vezes. Algumas das bolas foram coloridas para acompanhar seu movimento. As bolas contra as paredes fluem para baixo e empurram as partículas centrais para cima, iniciando um fluxo cíclico semelhante ao da convecção. Fonte: Cavaleiro et al. (1993), modificado.

Como você pode ver na imagem acima, as bolas de vidro que chegam de cima empurram a camada inferior de bolas em direção ao centro do recipiente e, por sua vez, empurram as bolas centrais inferiores para cima. Quando atingem a superfície, migram para fora, para as paredes do recipiente, e isso completa o ciclo onde são novamente empurrados para baixo pela vibração.

Na natureza, a convecção pode ser observada em todos os tipos de locais onde um fluido é aquecido rapidamente; à superfície do Sol, numa panela com água a ferver, numa sopa de miso quente especialmente logo depois de retirar a tampa, ou mesmo numa pequena chávena de chá num ambiente fresco e com iluminação adequada. Não creio que o movimento das bolas possa ser chamado de convecção adequada, mas elas certamente se movem de maneira muito semelhante.

A imagem acima mostra células de convecção na superfície do Sol. Grandes bolhas de gás quente (mais brilhante) fluem para cima e camadas finas de gás frio (mais fraco) fluem para baixo entre as bolhas. A natureza cíclica deste fluxo é semelhante à observada em um cilindro roscado de esferas de vidro. Fonte: Universidade de Wisconsin-Madison.

Na imagem acima, você pode ver a convecção ocorrendo na superfície do Sol; as células do fluido quente que se move para cima e os interstícios do fluido ligeiramente mais frio e que se move para baixo parecem semelhantes ao recipiente de bolas de vidro. Na verdade, esta última quase se parece com uma grande célula de convecção subindo no centro do cilindro.

Se todas as bolas tivessem o mesmo tamanho, o resultado seria um movimento lento e cíclico em torno do recipiente. Mas algo dá errado quando a bola de vidro maior chega perto da parede do cilindro na camada superior. É muito grande para caber no fluxo descendente e fica preso na camada superior. Se você tivesse muitas bolas grandes, elas acabariam ficando presas perto do topo do recipiente. Se você imaginar uma grande quantidade de nozes grandes com alguma quantidade de fragmentos de nozes, depois de um tempo acabaria com todo o pó no fundo e, portanto, observaria o efeito castanha do Pará.

Para verificar a hipótese de que todos os fluxos eram impulsionados pelo atrito com as paredes do recipiente, eles repetiram o experimento usando um recipiente com um lado áspero e outro liso. O lado áspero proporciona muito mais atrito e, como eles esperavam, gerou um fluxo descendente muito mais importante próximo à borda áspera da parede do contêiner:

Na imagem acima, o lado direito do recipiente cilíndrico é áspero e proporciona atrito, enquanto o lado esquerdo é liso e quase não proporciona atrito. Como consequência, o fluxo descendente só acontece no lado direito. Fonte: Cavaleiro et al. (1993).

A equipe de cientistas não parou por aí. Eles decidiram testar outro formato de recipiente e, surpreendentemente, escolheram estudar o comportamento de um cone, tornando isso muito relevante para as cervejas V60! Eles repetiram a mesma experiência e observaram algo chocante. O fluxo se inverteu totalmente e isso fez com que as bolas maiores ficassem presas no fundo, em vez de na superfície!

Um recipiente cônico inverte a direção dos fluxos semelhantes a convecção, fazendo com que as bolas maiores fiquem presas no fundo. Fonte: Cavaleiro et al. (1993), modificado.

Eles também observaram que a espessura do fluxo ascendente era um pouco maior em comparação com a caixa do cilindro. Em princípio, isto pode significar que pedras ligeiramente maiores podem completar o ciclo completo em vez de ficarem presas em algum lugar, em comparação com a caixa do cilindro.

Outro artigo científico de Hejmady e coautores mostrou esta bela sequência de como camadas de esferas coloridas evoluem com vibração para realçar os detalhes da estrutura do fluxo:

Camada superior das fotos: sequência temporal de como as vibrações afetam as camadas de bolas coloridas. Camada inferior: semelhante, com exceção de uma grande bola incluída para mostrar como ela fica presa na superfície. Fonte: Hejmady et al. (2012).

Eles também mostram uma bela visualização da direção do fluxo em uma imagem sobreposta semelhante a uma foto de longa exposição:

Esse vídeo também mostra uma ótima visualização do fenômeno.

Com todos esses resultados em mente, você poderia pensar que um recipiente em forma de V poderia funcionar contra o entupimento de um filtro porque concentrado as pedras na parte inferior em vez do multas, mas isso não vem ao caso porque o multas circulando pelas bordas do filtro de papel contribuiria para entupi-lo, independentemente da direção em que fluem. Multas pequeno o suficiente para penetrar nos poros do filtro de papel ficará preso nele, então qualquer tipo de movimento que traga mais multas nas proximidades do filtro contribuirá para atingir o ponto onde o filtro fica obstruído. Em outras palavras, bater em um filtro cônico ou cilíndrico contribuirá para o entupimento do filtro, mesmo que prendam as pedras em diferentes regiões do leito de café.

Esses conceitos também poderiam ser aplicados à preparação do café de mais algumas maneiras:

– Um cilindro vibratório poderia ser usado para levantar pedras até o topo de uma dose de café moído para retirá-la e estreitar a distribuição das partículas. Isso seria semelhante à peneiração, mas pode ser um pouco mais conveniente e rápido. Provavelmente compartilharia algumas das desvantagens da peneiração, por exemplo, provavelmente seria confuso e difícil de replicar com exatidão.

– Os ângulos das paredes de um cervejeiro cônico provavelmente poderiam ser escolhidos para minimizar qualquer deslocamento de partículas no cervejeiro, mesmo na presença de vibrações. Tal como o artigo de Knight discute, o facto de as paredes muito inclinadas inverterem o fluxo provavelmente significa que existe uma geometria com paredes menos inclinadas, entre este cone específico e um cilindro, o que interromperia todo o movimento da bola. Bordas muito lisas também poderiam conseguir isso, mas lembre-se de que as bordas de uma cama de café são o próprio filtro de papel, e parece implausível ter um filtro de papel muito liso e sem atrito.

– Se tivéssemos um filtro que não pudesse entupir, poderíamos aproveitar essa reorganização das partículas do leito de café para tornar a extração mais uniforme. Normalmente o fundo da cama de café só entra em contato com água concentrada, e isso faz com que o fundo extraia menos e de uma forma diferente: vai extrair preferencialmente produtos químicos que ainda não estejam dissolvidos na água, veja esse post anterior que escrevi para mais sobre isso. As cervejarias cônicas compensam parcialmente isso fazendo com que uma maior quantidade de água passe pelo fundo do leito de café devido à sua geometria, e isso evita que o fundo seja subextraído. Esta é uma solução imperfeita, porque o fundo da cama de café ainda extrai de uma maneira diferente. Usar a vibração para reorganizar o leito de café sem entupir o filtro seria incrível, mas um verdadeiro desafio: exigiria que a distribuição das partículas de café fosse muito uniforme e que os poros do filtro também fossem muito uniformes e menores que as partículas de café .

É importante ter em mente que esses artigos são baseados em cenários idealizados, o que poderia tornar sua aplicação na fabricação de café menos simples. Aqui estão algumas advertências que eu poderia pensar, mas pode haver mais:

– A presença de água na cafeteira fornece forças adicionais (arrastando ao longo das correntes e flutuabilidade ascendente) que podem introduzir diferentes deslocamentos das partículas de café. Na presença de vibração, o fluxo de partículas descrito acima provavelmente ainda acontece, mas pode ser eliminado por efeitos mais fortes.

– Os cientistas que realizaram esses experimentos usaram um tipo muito específico de escuta com uma única frequência de 30 Hz. frequência vibração. É possível que mudar isso frequência pode afetar a força ou mesmo a direção dos fluxos de partículas. Na prática, bater com os dedos pode causar vibrações de frequências diferentes e até variadas.

– Os formatos das partículas de café estão longe de serem esféricos, o que pode afetar estes resultados. Da mesma forma, em cenários reais temos uma grande variedade de tamanhos de partículas, não apenas partículas pequenas uniformes e uma partícula grande. Acredito que esses efeitos sejam um problema menos provável, porque fluxos do tipo convecção são observados mesmo em recipientes de nozes e alimentos secos de formatos e tamanhos irregulares.

– É importante ter em mente que fortes vibrações ou forças ascendentes ainda podem levantar pedras e causar multas cair entre as rachaduras. Isto significa que mesmo num cenário onde a geometria de um recipiente evita deslocamentos semelhantes a convecção, este tipo alternativo de migração de multas ainda pode acontecer.

Espero que você tenha achado esses resultados tão interessantes quanto eu! Gostaria de agradecer a Jesse Lambert por desenterrar esses papéis também!