Физики раскрыли секрет формирования слоев в кофе-латте

0
5

Физики раскрыли секрет того, почему кофе-латте имеет необычную слоистую структуру, и выяснили, как можно создать аналогичный узор в практически любой жидкости и даже в желеобразных материалах, говорится в статье, опубликованной в журнале Nature Communications.

«Различные природные узоры являются одним из самых интересных и красивых феноменов, изучением которых мы можем заниматься. Самоорганизующиеся системы, такие как волны на поверхности воды, колебания пламени, симметричные и при этом сложные снежинки, давно привлекают внимание людей. Нечто похожее происходит и тогда, если залить кофе-эспрессо в чашку теплого молока и превратить его в слоеное латте», — пишут Говард Стоун (Howard Stone) из Принстонского университета (США) и его коллеги.

Многие объекты окружающего мира, в том числе снежинки, облака, «ведьмины круги» в лесах и в африканских саваннах, а также то, как завиваются усы огурцов, формируются извилины на поверхности мозга и кишечник укладывается в петли, выглядят сложно, но при этом их можно описать при помощи достаточно простых математических формул. Их «автором» являются или силы природы, или же эволюция, искавшая идеальные пути решения каких-то сложных проблем на протяжении многих миллионов лет.

Физики, математики и химики активно изучают подобные «эксперименты природы» в надежде понять, как они работают, и использовать эту информацию для решения каких-то сложных инженерных или научных задач.

Стоун и его коллеги заинтересовались другой похожей проблемой, автором которой уже является человек, а не силы природы – загадкой того, как формируются слои с разной окраской в стакане с кофе-латте.

В самом упрощенном виде, как подчеркивают физики, ученые достаточно давно понимают, как «работает» латте. Оно возникает из-за того, что кофе и молоко имеют разную плотность и разогреты до разных температур, и их взаимодействие заставляет большую часть кофе всплыть, а молоко – скопиться в нижней части бокала.

С другой стороны, ученые не могли понять, почему хаотическая смесь двух жидкостей, пусть и обладающих разными свойствами, постепенно превращается в упорядоченный набор светлых и темных полосок с примерно одинаковыми концентрациями кофе и молока.

Так художник представил себе то, как образуются четкие слои в чашке с латте© Иллюстрация . Алина ПолянинаТак художник представил себе то, как образуются четкие слои в чашке с латте

Для ответа на этот вопрос ученые, как они выражаются сами, сварили лабораторный «латте» – смесь из подкрашенной дистиллированной воды, игравшей роль кофе, и крепкого рассола, исполнявшего роль молока. Вливая это «кофе» в «молоко», ученые наблюдали за движением подкрашенных потоков воды и пытались понять, что ими управляет.

Как оказалось, рождением «латте» управляет всего три параметра – скорость, с которой вливается «кофе» в «молоко», и разница в температурах и плотностях жидкостей. Если все эти три переменных правильно подобраны, то внутри смешивающихся жидкостей возникает два противоборствующих процесса, похожих на конвекцию, «круговорот» воды в кипящем чайнике, работа которых обеспечивается разницей в плотности и в температуре и той, и другой жидкости.

Это противоборство заставляет латте разбиться на множество слоев в том случае, если «кофе», более легкая жидкость, вливается в сосуд с «молоком», плотной субстанцией, с достаточно высокой скоростью, благодаря которой часть «кофе» смешивается с «молоком» по мере движения основного потока жидкости вглубь стакана.

Эти слои, как отмечают ученые, являются необычно стабильными – они сохраняются на протяжении нескольких дней, и они могут восстанавливаться даже в тех случаях, если готовое «латте» слегка размешать. Что интересно, аналогичные свойства, как отмечают ученые, проявляют некоторые арктические озера и прочие водоемы, состоящие из множества слоев пресной и соленой воды.

Вооружившись этими математическими идеями, ученые «раскрасили» прозрачное желе, введя в него горячий гель, заполненный зеленой краской. Подобным образом, как предполагают ученые, можно изготовлять и другие, более сложные слоистые структуры, в том числе аналоги различных тканей тела человека, сложные химикаты и различные промышленные материалы.

Источник

ОСТАВЬТЕ ОТВЕТ

Please enter your comment!
Please enter your name here