New Year ‘ s festende vil være på vej ud til alle slags fester i aften, og chancerne er, at en god procentdel vil blive fristet af tilstedeværelsen af en chokolade fontæne—bare en teensy smule overbærenhed, før disse beslutninger sparke i. Måske vil de, med et videnskabeligt bent kunne finde sig i at tænke, bare for et øjeblik, den komplicerede fysik, der er involveret i alt det, chocolaty godhed.
Vi ved nu lidt mere om dem, dynamik, takket være indsatsen fra Adam Townsend, en ph.d. – studerende ved University College London. Han besluttede at finde ud af, hvorfor der “gardin” af smeltet chokolade altid falder indad, og den deraf følgende papir udkom i sidste måned i det Europæiske Tidsskrift for Fysik.
Det hele startede med Townsend ‘ s rådgiver, Helen Wilson, der var på vandring en dag, da hendes tanker gik til den ejendommelige opførsel af en chokolade fontæne. Hendes kolleger i afdelingen for anvendt matematik tilbudt nogle sandsynlige forklaringer, men ingen kunne blive enige. Så tilføjede hun det til sin liste af mulige projekter for hendes elever. Det er, når Townsend overfaldes på det. “Der var nogle meget tekniske ord på, at projektet liste,” fortalte han til Washington Post. “Og så så jeg ‘chokolade springvand,’ og jeg sagde: “Aha! Det er den ene.’”
Fra en fysik synspunkt, smeltet chokolade er en type af ikke-Newtonsk væske. I en traditionel Newtonsk væske som vand, viskositet—løst defineret som, hvor meget friktion/modstand der er til at flyde i et givet stof—er i vid udstrækning afhængig af temperatur og tryk: vand vil fortsætte med at fungere uafhængigt af andre kræfter, der virker på det, som at blive rørt eller blandet. I en ikke-Newtonsk væske, viskositet ændringer i respons til en anvendt stamme eller vride kraft, hvorved begge sider af grænsen mellem flydende og fast adfærd. Sikkert du har set alle disse YouTube videoer, der viser folk, der går på tværs af en blanding af vand og majsstivelse, der størkner i reaktion på stress.
Sponsoreret
Blod, ketchup, yoghurt, sovs, mudder, budding, creme, fortykket pie fyldninger, og honning er andre eksempler på ikke-Newtonske væsker. Ikke alle sådanne væsker er skabt lige: de reagerer på stress eller en klipning kraft på forskellige måder. Med fløde, viskositeten stiger med stress over tid: jo længere du pisker det, jo tykkere bliver det. Vanillecreme bliver også mere solid—viskositeten stiger med øget stress—mens honning, ketchup eller tomatsauce blevet mere flydende, som viskositeten falder med stress over tid. Sidstnævnte er kendt som shear-udtynding ikke-Newtonske væsker.
Smeltet chokolade bliver også mindre tyktflydende under stress. For deres analyse, Townsend og Wilson opdelt strømmen adfærd i tre faser: en, hvor chokolade er på rejse op gennem røret inde i springvandet, en anden, hvor den chokolade danner et tyndt flydende film over kuplen, og endelig, at dejlige gardin af smeltet yumminess bare venter på dig til at dyppe alle mulige lækre snacks ind i det.
I rør flow fase, fandt de, chokolade bevægelse, der blev fulgt på en standard parabolsk kurve, med en temmelig hurtigt flow, som den bevæger sig op i røret. Chokolade thins og bremser ned, som det flyder over kuplen i den anden fase. Som for tredje “gardin” – fasen, er den primære kraft, der handler om chokolade på det punkt er overfladespænding.
Dynamikken er tilsvarende til en vand-bell, noget Wilson påpegede, kunne være let bygget i en køkken -: “Bare lave en pen lodret under et tryk med en 10p mønt fladt på toppen, og du vil se en smuk klokke-formet springvand af vand.”
Townsend har fundet dette arbejde gør det til en fremragende foredrag, demonstration rettet mod den brede offentlighed, måske fordi publikum er så ivrige for at smage chokolade bagefter. Men det tjener også som en god introduktion til de grundlæggende principper om ikke-Newtonske væsker. “Hvis jeg kan overbevise bare én person, at matematik er mere end Pythagoras’ Læresætning, jeg vil have lykkedes,” sagde han i en UCL pressemeddelelse. Og de konkrete modeller kan bidrage til en bedre forståelse af lignende væske adfærd, såsom vulkanske lavastrømme, rive film i øjet, og hvordan plasmaer er udvundet fra nuklear fusion reaktorer.
Det meste selv, “Chokolade springvand er bare cool, er de ikke?” Townsend begejstret. Ja. Ja, de virkelig er.
Reference:
Townsend, A. K. og Madsen, H. J. (2015) “fluid dynamics) af chokolade springvand,” Tidsskrift for Fysik 37: 1.
[Via Fuck Yeah Fluid Dynamics]
Billeder: A. Townsend og H. Wilson/UCL