Het nieuwe Jaar feestvierders zijn op weg naar allerlei partijen vanavond, en de kans dat een groot percentage zal verleid worden door de aanwezigheid van een chocolade-fontein—slechts een teensy beetje verwennerij voor diegenen resoluties van de kick-in. Misschien wel die met een wetenschappelijke gebogen kon vinden zichzelf nadenken, gewoon voor een moment, de ingewikkelde natuurkunde betrokken bij al die chocolaty goedheid.
We weten nu een beetje meer over die dynamiek, dankzij de inspanningen van Adam Townsend, een studente van het University College in Londen. Hij besloot om erachter te komen waarom dat “gordijn” van gesmolten chocolade valt altijd naar binnen, en de daaruit voortvloeiende papier verscheen afgelopen maand in de European Journal of Physics.
Het begon allemaal met Townsend ‘ s adviseur, Helen Wilson, die wandelen op een dag, toen haar gedachten terug naar die eigenaardige gedrag van een chocolade fontein. Haar collega ‘ s in de afdeling toegepaste wiskunde bood een aantal waarschijnlijke verklaringen, maar niemand kon instemmen. Dus ze toegevoegd aan haar lijst van mogelijke projecten voor haar leerlingen. Dat is wanneer Townsend besprongen. “Er waren een aantal zeer technische woorden die op die lijst project,” zei hij tegen de Washington Post. “En toen zag ik ‘chocolade fontein’ en ik zei: ‘Aha! Dat is het.’”
Vanuit een natuurkundig standpunt, gesmolten chocolade is een type van niet-Newtoniaanse vloeistof. In een traditionele Newtoniaanse vloeistof, zoals water, de viscositeit—losjes gedefinieerd als hoe veel wrijving/weerstand is er in te stromen in een bepaalde stof—is grotendeels afhankelijk van de temperatuur en van de druk: water blijft stromen, ongeacht andere krachten die op het, zoals geroerd of gemengd. In een niet-Newtoniaanse vloeistof, de viscositeit verandert in reactie op een toegepaste spanning of scherende kracht, waardoor ter hoogte van de grens tussen de vloeibare en vaste gedrag. Je hebt vast wel eens gezien al die YouTube-video ‘ s die mensen lopen door een mengsel van water en maïzena, die stolt in reactie op stress.
Gesponsord
Bloed, ketchup, yoghurt, jus, modder, pudding, vla, verdikte taart vullingen en honing zijn andere voorbeelden van niet-Newtonse vloeistoffen. Niet alle vloeistoffen zijn gelijk gemaakt: ze reageren op stress of een afschuiving van kracht op verschillende manieren. Met room, verhoogt de viscositeit met stress in de tijd: hoe langer je de zweep, de dikker hij wordt. Vla wordt ook meer solide viscositeit toeneemt met de toename van stress, terwijl honing, ketchup of tomaten saus vloeibaarder, zoals viscositeit afneemt met stress om te gaan in de tijd. De laatste staat bekend als shear-dunner worden van niet-Newtonse vloeistoffen.
Gesmolten chocolade wordt ook minder viskeuze onder stress. Voor hun analyse, Townsend en Wilson verdeeld de stroom gedrag in drie fasen: één waar de chocolade is reizen door de pijp in de fontein, een tweede, waar de chocolade vormt een dunne vloeiende film over de koepel, en ten slotte, dat mooie gordijn van gesmolten yumminess gewoon te wachten voor u om te duik allerlei heerlijke hapjes.
In de pipe flow fase, ze vinden de chocolade met de beweging volgde een standaard parabolische curve, met een vrij snelle flow als het ware de pijp. De chocolade thins en vertraagt als het stroomt over de dome in de tweede fase. Voor de derde “gordijn” – fase, de primaire kracht die op de chocolade op dat punt is de oppervlaktespanning.
De dynamiek is vergelijkbaar met een water bell, iets Wilson gewezen kan eenvoudig worden ingebouwd in de keuken: “Gewoon vaststellen van een pen verticaal onder een tik met een 10 cent vlakke top en je ziet een prachtige klokvormige fontein van water.”
Townsend heeft gevonden dit werk zorgt voor een uitstekende lezing demonstratie gericht op het algemene publiek, misschien omdat het publiek zo enthousiast om te proeven van de chocolade daarna. Maar het dient ook als een geweldige introductie tot de basisprincipes van niet-Newtonse vloeistoffen. “Als ik je kan overtuigen, slechts één persoon dat wiskunde meer is dan de Stelling van Pythagoras, zal ik in geslaagd”, zei hij in een UCL press release. En de werkelijke modellen kunnen bijdragen tot een beter begrip van soortgelijke vloeistof gedrag, zoals vulkanische lavastromen, scheuren films in het oog, en hoe plasma ‘ s zijn gewonnen uit kernfusie reactoren.
Meestal wel, “Chocolade fonteinen zijn gewoon cool, zijn ze niet?” Townsend enthousiast. Ja. Ja, echt waar.
Referentie:
Townsend, A. K. en Wilson, H. J. (2015) “De fluid dynamics van de chocolade fontein,” European Journal of Physics 37: 1.
[Via Fuck Yeah Fluid Dynamics]
Afbeeldingen: A. Townsend en H. Wilson/UCL