Иллюстрация: Jonghyun Hwang et al. / Physics of Fluids. Американские исследователи провели исследование, направленное на выявление взаимосвязи между их степенью готовности лапши (определенной распределением воды в её структуре и её механическими свойствами) и склонностью к слипанию. Для этого они разработали детальную модель диффузии воды в крахмале, а также установили связь между концентрацией воды и упругостью набухшей лапши. Полученные результаты демонстрируют хорошее соответствие с экспериментальными данными. Результаты исследования опубликованы в журнале Physics of Fluids. Макаронные изделия представляют интерес для физиков не только как кулинарный продукт, но и как объекты, позволяющие изучать разнообразные механические, гидростатические и гидродинамические явления. К таким явлениям относятся, например, сложный характер распространения механических волн по сухой тонкой лапше, из-за которого её невозможно разломать руками на две части, а также связь эластичности макарон с их набуханием в воде и нагревом.
Исследования в этом направлении позволили построить первые модели размягчения спагетти при варке и даже научиться программировать форму готовой пасты.
Подобные исследования имеют понятную практическую значимость: модели, развитые с помощью доступных и дешевых макарон, помогут лучше прогнозировать поведение материалов, которые набухают и размягчаются подобно крахмалу. Есть польза и для промышленной кулинарии, ведь деформация макарон может стать критерием их готовности. С другой стороны, механические свойства спагетти или лапши определяют также и баланс между силами упругости и капиллярными силами при их слипании. В этом легко убедиться, просто зачерпнув спагетти вилкой.
Подробнее установить эту связь решила группа физиков из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне, изучив, как на лапшу влияют различные режимы варки. Они провели серию экспериментов, в которых следили за тем, как слипаются две сваренные в дистиллированной воде лапшины, висящие рядом друг с другом на небольшом расстоянии. Это происходит из-за образования мениска при вытаскивании их из воды. Слипшиеся лапшины напоминают по форме букву Y, и авторы задались вопросом, что именно определяет положение точки слипания.
(a) Две лапшины, слипшиеся после варки. (b) Схема, объясняющее слипание двух лапшин мениском между ними. Jonghyun Hwang et al. / Physics of Fluids
Для ответа на этот вопрос ученые углубились в исследование процессов диффузии воды в крахмаловую матрицу с последующим набуханием и размягчением макарон. Сложность задачи заключалась в том, что набухание цилиндрической лапшины происходит неравномерно: вода скапливается в первую очередь на ее краях, в то время как сердцевина может оставаться жесткой. Чтобы получить четкую картину этого процесса, физики записывали второй закон Фика в цилиндрической системе координат для коэффициента диффузии молекул воды, зависящего от их концентрации. Решение этого уравнения позволило им сделать вывод о росте диаметра лапшины со временем, что авторы также проверили с помощью линейки. Такое сравнение не только показало справедливость расчетов, но и позволило узнать точные параметры для решений.
Однако для ответа на главный вопрос исследования нужно было еще понять, как набухание влияет на изгибную жесткость лапшины. Неоднородность набухания и здесь приводит к усложнению, из-за чего при построении численной модели физикам пришлось разбить макаронный цилиндр на 50 соосных подцилиндров. Чтобы связать параметры модели с реальностью, авторы измеряли модуль упругости лапшин, растягивая их с помощью лабораторного динамического механического анализатора.
Анализ показал, что их модуль Юнга уменьшается со временем на четыре порядка по довольно нетривиальному закону. Физики выделили три режима состояния лапшины — от стекловидного через промежуточный к резиноподобному. Последний характеризуется насыщением лапшины водой, включая сердцевину.
Наконец, физики смогли сопоставить высоту слипания и степень готовности макарон, выраженную через знание об их насыщенности водой и механической устойчивости на разрыв (предположительно, зубами). Ученые убедились, что варка при температуре 100 градусов по Цельсию происходит ощутимо быстрее, чем при температуре 80 градусов. Неожиданным, однако, оказалось влияние поваренной соли: моделирование показало, что ее добавление ускоряет диффузию молекул воды в крахмаловую матрицу, а также на два порядка увеличивает модуль Юнга лапши по сравнению с варкой в дистиллированной воде. Авторы надеются, что их работа поможет быстрее находить условия для приготовления наиболее вкусной лапши, а также послужит хорошим экспериментом для обучения механике.
(a) Фотография нескольких пар слипшихся лапшин, сваренных в течение различного времени (b) Зависимость положения точки слипания от времени для варки в 80-градусной (верхний график) и 100-градусной (нижний график) воде. Звездочками обозначены несколько значений, полученных для варки в подсоленном кипятке (al dente). Jonghyun Hwang et al. / Physics of Fluids
Использование еды для изучения физики — идея не новая. Мы уже рассказывали, как вафли с карамелью в шоколадной глазури послужили студентам объектом для изучения композитных материалов.
Автор: Марат Хамадеев
Источник: https://nplus1.ru/
