Undersøgelser undersøger væsker i pandekager, øl, og køkkenvasken

Maskiningeniør Roberto Zenit brugte sommeren 2019 på at forsøge at løse et problem, der nu plager videnskabsafdelinger rundt om i verden:Hvordan kan praktiske væskedynamiske eksperimenter, normalt udført i velassorterede laboratorierum, blive flyttet fra campus? Siden pandemien ramte, førende forskere som Zenit har fundet kreative måder for eleverne at udforske flow derhjemme.

Zenits svar, ultimativt, kom ned til pandekager. Han underviser i en fluiddynamik -laboratorieklasse ved Brown University, og et eksperiment kræver, at eleverne måler viskositet, hvilket ofte gøres ved at måle, hvor hurtigt små kugler falder gennem tykke væsker og sætter sig i bunden. Men Zenit indså, at han ikke behøvede at gøre det på den måde. Køkkenet er rigt på tyktflydende væsker, og alt han skulle gøre var at vælge en.

Hvorfor ikke pandekagedej?

Dette efterår, elever i hans klasse, uanset hvor de blev afsat, måtte blande pandekagedej, hæld det på en vandret overflade, og måle, hvor hurtigt radius ekspanderede. "Ved at måle den hastighed, hvormed denne klat vokser med tiden, kan du beregne viskositeten tilbage, sagde Zenit.

Zenit beskrev forsøget under et minisymposium om køkkenstrømme på det 73. årlige møde i American Physical Society's Division of Fluid Dynamics. Ud over hans projekt om viskositet gennem pandekager, symposiet indeholdt ny forskning om, hvordan væsker blandes med hinanden, og hvordan de inkorporerer faste partikler (som i dej eller dej). Forskere fra University of Cambridge beskrev nye fund om hydrauliske spring - de uhyggeligt glatte vandkredse, omgivet af turbulens, der dannes direkte under en køkkenhane.

Kemisk ingeniør Endre Mossige, en postdoktor ved Stanford University, arrangerede symposiet. "Køkkenflowforsøg er så nemme at lave, "sagde han." Du har brug for så lidt udstyr til at udtrække sådanne nyttige oplysninger om væskedynamik. "

Køkkenet er et naturligt sted at lede efter inspiration, sagde Jan Vermant, ingeniør ved ETH Zürich. "I køkkenet gør vi meget med materialer med højt interface, "sagde han." Du skal blande væske og luft og lave emulsioner, og arbejde med bobler. Dette er et grundlæggende problem med fødevareprojekter, og en kendt af kokke over hele verden. "

Vermant rapporterede om sin gruppes seneste arbejde, som tacklede et ølproblem ved at gøre det til et væskedynamikproblem. Han studerer tynde film, og i nyere forskning har han undersøgt skumets stabilitet i øl og brød. Beermakers, han sagde, kontrollere fermenteringsfremgangen for nye bryg ved at se på skumets stabilitet. Men, han sagde, processen er meget "håndbølget". Da han begyndte at kigge på øl, der var brygget gennem væskedynamikkens linse, han fandt et rigt forskningsmiljø.

Ølbobler indeholder en lang række forskellige miljøer:kapillærstrømme, sæbe film, og proteinaggregation. "I bund og grund, de har alle de mekanismer, man kan designe som ingeniør, sagde han. Hans gruppe fandt, til deres overraskelse, at selvom de fleste øl har skum, forskellige øl har forskellige mekanismer bag disse skum. Nogle skum fungerer som sæbefilm; andre udvikler robuste proteinnetværk på overfladen.

"De fremhæver hver især forskellige aspekter af problemet, "sagde Vermant. I efterfølgende arbejde, hans gruppe kiggede tilsvarende tæt på grænsefladefænomener i brød - og fandt på samme måde en række adfærdsmåder. "De har denne rige mangfoldighed af mekanismer til stabilisering af skumstrukturer, " han sagde.

Vermant sagde, at arbejdet ikke kun handler om øl og brød; det kan også tjene som inspiration til nye materialer. "Vi kan efterligne disse systemer og kan fremstille skum ved hjælp af de samme principper som ølskum, " han sagde, hvilket kan være nyttigt til applikationer lige fra sprayisolering til beskyttende skum til afgrøder.

Hos Brown, Zenit sagde, at ikke alle elever havde gennemført forsøget med succes. "Nogle af dem tog mit råd for bogstaveligt, og gjorde det i en varm pande, "sagde han. Tilberedning af pandekagen ændrede viskositeten - fryser dejen på plads - hvilket betød, at eleverne ikke havde brugbare data. (Men de spiste morgenmad.)

Han sagde, at det at vende sig til pandekager under pandemien har åbnet øjnene for forskellige måder at lære grundlæggende ideer som viskositet på. "I de almindelige forsøg, du taber denne kugle i en beholder og måler den, sagde han. Væsken, han siger, reduceres til dens måling. Med dej, eleven oplever konceptet. "Med pandekagerne, du kommer til at mærke viskositeten. "