Демонстрация Crystal Owens / Youtube. Ученые физики из США провели теоретическое и экспериментальное исследование деформации печенья Oreo при его активном горизонтальном скручивании. Они подтвердили в лабораторных условиях очень распространенное наблюдение, согласно которому крем при разделении печенья таким образом преимущественно остается на одной из его сторон. Для воспроизведения этого эксперимента в домашних условиях исследователи разработали 3D-печатный реометр, получивший название «ореометр». Результаты исследования опубликованы в журнале Physics of Fluids. Реология – наука, изучающая деформацию и текучесть веществ с комплексной или неньютоновской вязкостью. Она занимает промежуточное положение между теорией упругости и гидродинамикой, находя широкое применение в самых различных прикладных дисциплинах, от материаловедения до физиологии. Роль реологии в пищевой науке также весьма значима: понимание поведения вязких жидкостей способствует созданию качественных сыров, шоколада, соусов и других продуктов питания.
Реакция некоторых пищевых продуктов на какое либо воздействие зачастую помогает понять, как в схожих условиях поведут себя их несъедобные аналоги. Например, вафельные батончики с прослойками из карамели оказались хорошими аналогами композитных материалов в плане тестов на излом. Точно так же поворот одной части печенья Oreo, представляющего собой сэндвич из мучных дисков и вязкого крема между ними, относительно другой может служить моделью осевого контакта вращающихся валов или разрыва нитей из вязкоупругих чернил в 3D-принтерах.
Скручивание печенья Oreo стало неотъемлемой частью американской культуры его потребления. В результате этой процедуры крем, как правило, остается лишь на одном из дисков печенья. Не без помощи компании Nabisco, производящей Oreo, скручивание печенья превратилось в 90-х годах прошлого века в США в форму жеребьевки, став аналогом игры «Камень, ножницы, бумага» или подбрасыванию монеты.
Кристал Оуэнс (Crystal Owens) с коллегами из Массачусетского технологического института решили подробнее разобраться в физике, происходящей при скручивании печенья Oreo. С точки зрения реологии эта проблема представляет собой задачу о поведении мягкого вещества, зажатой между двумя параллельными пластинами. Под мягким веществом (телом) понимаются аморфные тела, которые начинают течь только при приложении механического напряжения выше некоторого порога. Такими свойствами обладает множество материалов как в кулинарии (тесто, мороженое), так и за ее пределами (лава, строительные растворы).
При повороте одной половинки Oreo относительно другой, крем, зажатый между дисками, сначала испытывает деформацию сдвига, затем течет, пока, наконец, не разрывается, деля печенье пополам. При этом возможно два сценария: когезионный (когда разрыв происходит в толще крема) и адгезионный (когда разрывается связь между кремом и одним из дисков). Как показывает практика, последний тип разрыва встречается гораздо чаще.
Физики решили разобраться в деталях этого процесса с помощью лабораторного реометра, который позволяет строить зависимость между напряжением и деформацией материала при испытании на скручивание, а также моделированием этого процесса. Они исследовали то, как на напряжения и распределение крема влияют скорость вращения, количество крема, а также сорт печенья. В серии дополнительных опытов авторы изучили эффект отложенного порога, когда разрушение печенья происходит спустя некоторое время после приложения напряжения, а также влияние размягчения мучного диска под действием молока.
(a) Фотография испытания печенья Oreo на скручивание. (b) Параметры кондитерского композита, использованные в моделировании. (c) Распределение скорости потока крема в зависимости от высоты. Crystal Owens et al. / Physics of Fluids
Результаты опытов показали, что в подавляющем большинстве случаев происходит адгезионный разрыв печенья, причем в 80 процентов случаев сторону, на которой останется крем, можно предсказать, глядя на то, какой стороной печенье было ориентировано в пачке. Авторы связывают это с особенностями конвейерного производства печенья: сначала крем наносится на один из дисков, затем накрывается вторым и в таком порядке фасуется. Они предполагают, что такая форма изготовления определяет разницу в адгезиях между разными частями печенья.
В конце своего исследования физики разработали и применили 3D-печатную версию бытового реометра для исследования печений Oreo (либо иных объектов той же геометрии), который они остроумно назвали «ореометром». Собранное устройство не требует электропитания. Для его работы требуются лишь резинки и набор одинаковых монет, а суммарная стоимость производства оценивается авторами в шесть долларов США. Монеты выступают в качестве груза для создания момента сил, а резинки нужны для регулировки. Исследователи надеются, что такое устройство поможет изучать «ореологию» большому количеству желающих в домашних условиях.
Этапы сборки и принцип работы ореометра. Crystal Owens et al. / Physics of Fluids
Недавно мы сообщали о том, как физики теоретически и экспериментально исследовали слипание сваренной лапши.
Автор: Марат Хамадеев
Источник: https://nplus1.ru/
