Джонатан Гань

Джесси Ламберт, член моей Telegram канал, недавно обратил мое внимание на действительно интересный газета по физике Knight, Jaeger & Nagel, которые, как я теперь думаю, могут иметь отношение к нашему пониманию миграция штрафов в заваривании кофе. Есть некоторые соображения, которые могут усложнить его применение в кофе, но я вернусь к ним в конце поста.

Во-первых, позвольте мне резюмировать мой взгляд на миграция штрафов до того, как я прочитал эту газету. Возможно, вы помните, что, когда мы обсуждаем распределение частиц кофе по размерам, мы часто называем самые маленькие из них мелочь и самые большие валуны. Когда мы используем слово «миграция» в этом контексте, мы обычно имеем в виду мелочь во время заваривания предпочтительно перемещаться к нижней части кофейного столика. Это также иногда называют эффектом бразильского ореха, потому что фрагменты имеют тенденцию накапливаться на дне контейнера, в котором хранится сухой корм.

Это явление мелочь движение к нижней части кофейного слоя в основном относится к методам перколяции, то есть к методам, когда мы наливаем воду поверх кофе и используем саму гущу как часть системы фильтрации. Мы беспокоимся об этом, потому что накопление мелочь рядом с фильтром, удерживающим кофейный слой, может закупориться достаточно пор, чтобы вызвать засорение. Когда фильтр забивается, он плохо регулирует поток воды, что приводит к менее равномерному распределению потока и, следовательно, экстракции через кофейный слой. Если вам интересно узнать об этом больше, см. Предыдущий пост, который я написал на эту тему.

Эффект бразильского ореха наблюдается в банке с кормом для кошек. Более мелкие фрагменты имеют тенденцию скапливаться на дне банки.

Мое предыдущее понимание того, как миграция штрафов произошло то, что при наличии вибраций, достаточно сильных, чтобы поднимать кофейные валуны, на мгновение возникали более крупные промежутки между ними, что позволяло мелочь провалиться вниз. Это видео показывает этот механизм в действии. Хотя это все еще может произойти, ключевой вывод статьи Рыцаря заключается в том, что этот эффект не требуется для миграция штрафов происходить ! Даже если вибрации слишком слабые, чтобы поднять валуны или заставить их прыгать, совершенно другой механизм все равно может вызвать мелочь чтобы закупорить поры вашего кофейного фильтра, а его детали невероятно интересны.

Чтобы понять это, группа ученых во главе с Найтом поместила стеклянные шары идентичной формы в цилиндрический контейнер и добавила один большой шар с такой же плотностью массы, что и другие. Они раскрасили большой шар и пару маленьких ярким цветом, чтобы можно было легко отслеживать их перемещения, и прикрепили к контейнеру устройство, которое может имитировать короткое нажатие очень управляемым способом. Таким образом, они могли искусственно постукивать по контейнеру столько раз, сколько захотят, всегда с той же силой и продолжительностью. Все, что им нужно было сделать, это включить постукивание и наблюдать, как перемещаются цветные шарики. К удивлению ученых, на самом деле не нужно было поднимать мяч, чтобы что-то произошло. Вместо этого шарики у краев контейнера толкались вниз силами трения стенок, вибрирующих о шарики, что запускало циклический поток во всем контейнере, который очень похож на конвекцию в горячей жидкости.

На изображении выше показана временная последовательность движения цилиндрического контейнера при многократном касании. Некоторые шары были раскрашены, чтобы отслеживать их движение. Шары, упирающиеся в стенки, текут вниз и толкают центральные частицы вверх, создавая циклический поток, подобный конвекции. Источник: Knight et al. (1993), с изменениями.

Как вы можете видеть на изображении выше, стеклянные шары, входящие сверху, толкают нижний слой шаров к центру контейнера, а те, в свою очередь, толкают нижние центральные шары вверх. Когда они достигают поверхности, они мигрируют наружу к стенкам контейнера, и на этом цикл завершается, когда вибрация снова толкает их вниз.

В природе конвекция наблюдается во всех местах, где жидкость быстро нагревается; на поверхности Солнца, в кипящей воде, в горячем мисо-супе, особенно сразу после того, как вы сняли крышку, или даже в маленькой чашке чая в прохладной обстановке при правильном освещении. Я не думаю, что движение шаров можно назвать правильной конвекцией, но они точно двигаются очень похожим образом.

На изображении выше показаны конвективные ячейки на поверхности Солнца. Большие пузырьки (более яркого) горячего газа текут вверх, а тонкие слои (более слабого) холодного газа текут вниз между пузырьками. Цикличность этого потока аналогична тому, что наблюдается в цилиндре из стеклянных шариков с резьбой. Источник: Университет Висконсина, Мэдисон.

На изображении выше вы можете видеть конвекцию, имеющую место на поверхности Солнца; Ячейки движущейся вверх горячей жидкости и промежутки чуть более холодной, движущейся вниз жидкости похожи на сосуд из стеклянных шариков. Фактически, последний выглядит как большая конвекционная ячейка, поднимающаяся вверх в центре цилиндра.

Если бы все шары имели одинаковый размер, результатом было бы медленное циклическое движение вокруг контейнера. Но что-то идет наперекосяк, когда большой стеклянный шар приближается к стенке цилиндра в верхнем слое. Он слишком велик для нисходящего потока и застревает в верхнем слое. Если бы у вас было много больших шаров, в конечном итоге все они застряли бы в верхней части контейнера. Если вы представите себе большое количество больших орехов с некоторым количеством ореховых фрагментов, через некоторое время вы получите весь порошок на дне, и, следовательно, вы увидите эффект бразильского ореха.

Чтобы проверить свою гипотезу о том, что все потоки были вызваны трением о стенки контейнера, они повторили эксперимент, используя контейнер с шероховатой и гладкой сторонами. Шероховатая сторона обеспечивает гораздо большее трение, и, как они ожидали, это привело к гораздо более важному нисходящему потоку около шероховатого края стенки контейнера:

На изображении выше правая сторона цилиндрического контейнера шероховатая и обеспечивает трение, тогда как левая сторона гладкая и почти не имеет трения. Как следствие, нисходящий поток происходит только с правой стороны. Источник: Knight et al. (1993).

Команда ученых не остановилась на достигнутом. Они решили протестировать другую форму емкости и, что удивительно, решили изучить поведение рожка, что сделало это очень актуальным для пива V60! Они повторили тот же эксперимент и наблюдали нечто шокирующее. Поток полностью изменился, и это привело к тому, что более крупные шары застряли внизу, а не на поверхности!

Конический контейнер меняет направление потоков, похожих на конвекцию, в результате чего более крупные шары застревают на дне. Источник: Knight et al. (1993), с изменениями.

Они также заметили, что толщина восходящего краевого потока была немного больше по сравнению с цилиндрическим корпусом. В принципе, это может означать, что валуны немного большего размера могут завершить полный цикл, а не застрять где-нибудь, по сравнению с корпусом цилиндра.

Еще одна научная статья Хеймади и соавторы показали эту красивую последовательность того, как слои цветных сфер эволюционируют с вибрацией, чтобы выявить детали структуры потока:

Верхний слой фотографий: временная последовательность того, как вибрации влияют на слои цветных шаров. Нижний слой: аналогичный, за исключением большого шара, который включен, чтобы показать, как он попадает в ловушку на поверхности. Источник: Hejmady et al. (2012).

Они также показывают красивую визуализацию направления потока на наложенном изображении, похожем на фотографию с длинной выдержкой:

Это видео также показывает отличную визуализацию явления.

Имея в виду все эти результаты, вы можете подумать, что V-образный контейнер может работать против засорения фильтра, потому что он концентрировать валуны внизу вместо мелочь, но не в этом дело, потому что мелочь циркуляция по краям бумажного фильтра будет способствовать его засорению, независимо от направления, в котором они текут. Штрафы достаточно маленький, чтобы проникнуть в поры бумажного фильтра, он застрянет в нем, поэтому любое движение, которое принесет больше мелочь в непосредственной близости от фильтра будет способствовать достижению точки, где фильтр забивается. Другими словами, постукивание по коническому или цилиндрическому фильтру будет способствовать засорению фильтра, даже если они улавливают валуны в разных частях кофейного слоя.

Эти концепции также могут быть применены к приготовлению кофе еще несколькими способами:

- Вибрационный цилиндр можно использовать для подъема валунов на верхнюю часть порции молотого кофе, чтобы вычерпать его и сузить распределение частиц. Это похоже на просеивание, но может быть немного удобнее и быстрее. Однако у него, вероятно, были бы некоторые недостатки просеивания, например, его было бы сложно воспроизвести в точности.

- Углы стенок конической пивоварни, вероятно, можно было бы выбрать так, чтобы свести к минимуму любое смещение частиц в пивоварне даже при наличии вибраций. Как обсуждается в статье Найта, тот факт, что очень наклонные стенки обращают поток, вероятно, означает, что существует одна геометрия с менее наклонными стенками между этим конкретным конусом и цилиндром, которая остановит все движение шара. Очень гладкие края также могут достичь этого, но помните, что края кофейного слоя - это сам бумажный фильтр, и кажется невероятным иметь очень гладкий бумажный фильтр без трения.

- Если бы у нас был фильтр, который нельзя засорять, мы могли бы использовать эту реорганизацию частиц кофейного слоя, чтобы сделать экстракцию более равномерной. Обычно дно кофейной кровати контактирует только с концентрированной водой, и это приводит к тому, что дно извлекается меньше и по-другому: оно будет преимущественно извлекать химические вещества, которые еще не растворены в воде, см. Предыдущий пост, который я написал для подробнее об этом. Конические пивовары частично компенсируют это тем, что большее количество воды проходит через дно кофейного ложа из-за их геометрии, и это предотвращает недоэкстракцию дна. Однако это несовершенное решение, потому что дно кофейной кровати по-прежнему извлекается по-другому. Использование вибрации для реорганизации кофейного слоя без засорения фильтра было бы удивительным, но реальной проблемой: для этого потребовалось бы, чтобы распределение частиц кофе было очень равномерным, а поры фильтра также были бы очень ровными и меньшими, чем частицы кофе. .

Важно помнить, что эти статьи основаны на идеализированном сценарии, который может сделать их применение в процессе приготовления кофе менее простым. Вот некоторые предостережения, о которых я мог бы подумать, но их может быть больше:

- Наличие воды в пивоваренном заводе дает дополнительные силы (перетаскивание вдоль течений и восходящей плавучести), что может привести к различным смещениям частиц кофе. При наличии вибрации описанный выше поток частиц, вероятно, все еще существует, но его можно смыть более сильными эффектами.

- Ученые, проводившие эти эксперименты, использовали очень специфический тип прослушивания с одной частотой 30 Гц. частота вибрация. Возможно, что изменение этого частота может повлиять на силу или даже направление потоков частиц. На практике постукивание пальцем может вызывать колебания разной или даже разной частоты.

- Формы частиц кофе далеки от сферической, что может повлиять на эти результаты. Точно так же в реальных сценариях у нас есть самые разные размеры частиц, а не только однородные мелкие частицы и одна большая частица. Я думаю, что эти эффекты менее вероятны, потому что потоки конвекционного типа наблюдаются даже в контейнерах с орехами неправильной формы и размера и сухих пищевых продуктах.

- Важно помнить, что сильные вибрации или восходящие силы могут поднимать валуны и вызывать мелочь провалиться между трещинами. Это означает, что даже в сценарии, когда геометрия контейнера предотвращает смещения, подобные конвекции, этот альтернативный тип миграция штрафов все еще могло случиться.

Надеюсь, вы нашли эти результаты такими же интересными, как и я! Я также хочу поблагодарить Джесси Ламберта за то, что он откопал эти документы!