Исследователь Каллум Каттл из Оксфордского университета вместе со своим коллегой Крисом МакМинном провели серию экспериментов, чтобы определить силы, влияющие на разбрызгивание кетчупа из почти пустой бутылки и разработать теоретическую модель этих брызг.
Учёные выяснили, что более медленное сжатие бутылки и удвоение диаметра сопла помогут предотвратить разбрызгивание. Существует также критический порог, при котором поток кетчупа внезапно переключается на разбрызгивание.
Исаак Ньютон определил свойства того, что он считал «идеальной жидкостью». Одно из таких свойств — вязкость, в общих чертах определяемая как степень трения/сопротивления течению в данном веществе. Трение возникает из-за того, что текущая жидкость по существу представляет собой серию слоев, скользящих друг относительно друга. Чем быстрее один слой скользит по другому, тем больше сопротивление.
Но не все жидкости ведут себя как идеальная жидкость Ньютона. В ней вязкость в значительной степени зависит от температуры и давления: вода будет продолжать течь, то есть вести себя как вода, независимо от других действующих на неё сил, таких как перемешивание. В неньютоновской жидкости вязкость изменяется в ответ на приложенную деформацию или силу сдвига, тем самым преодолевая границу между поведением жидкости и твёрдого тела. Физики называют это «силой сдвига»: перемешивание чашки с водой создаёт силу сдвига, и вода смещается в сторону. Её вязкость остаётся неизменной.
Кетчуп — неньютоновская жидкость. По словам Энтони Стрикленда из Мельбурнского университета в Австралии, он состоит из измельчённых твёрдых веществ томатов, взвешенных в жидкости, что делает его скорее «мягким твёрдым веществом», чем жидкостью. Твёрдые вещества соединяются, образуя непрерывную сеть, и нужно преодолеть силу этой сети, чтобы заставить кетчуп течь — обычно постукивая по бутылке. Как только это происходит, вязкость уменьшается, и чем больше она уменьшается, тем быстрее течёт кетчуп. Исследователи из Heinz определили оптимальную скорость потока кетчупа на уровне 0,0045 км в час.
Когда в бутылке осталось совсем немного кетчупа, то по ней приходится бить сильнее, тем самым увеличивая риск разбрызгивания. «К тому времени, когда вы дойдёте до конца, большая часть того, что останется внутри, — это воздух», — сказал Каттль. — «Поэтому, когда вы сжимаете, вы сжимаете воздух внутри бутылки, это создаёт давление, вытягивающее [кетчуп] наружу». Форсунка обеспечивает силу вязкого сопротивления, которая противодействует потоку кетчупа, а баланс между ними определяет скорость потока. Когда бутылка опорожняется, вязкость уменьшается, потому что остается всё меньше кетчупа. А отток жидкости означает, что внутри бутылки остается всё больше места для расширения воздуха, что со временем снижает движущую силу.
Понимание сложной динамики того, почему плавный поток внезапно превращается в брызги, началось с упрощения проблемы. Каттл и МакМинн создали аналог бутылки, заполняя шприцы кетчупом, а затем вводя различное количество воздуха (от 0 до четырех миллилитров) с фиксированной степенью сжатия, чтобы увидеть, как изменение количества воздуха влияет на скорость потока и не разбрызгивался ли кетчуп. Они повторили эксперименты со шприцами, наполненными силиконовым маслом, чтобы лучше контролировать вязкость и другие ключевые переменные.
В результате шприцы с 1 или более миллилитром введённого воздуха производили брызги. «Это говорит нам о том, что вам нужно немного воздуха в шприце или бутылке, чтобы произвести брызги и создать этот неустойчивый всплеск потока», — сказал Каттл. Таким образом, исследователи установили критический порог «разбрызгивания соуса». Ниже этого порога движущая сила и отток жидкости уравновешиваются, поэтому поток плавный. Выше порога движущая сила уменьшается быстрее, чем отток. Воздух становится чрезмерно сжатым, как сжатая пружина, и последний кусочек кетчупа выбрасывается внезапным взрывом.
Исследователи посоветовали сдавливать бутылку медленнее, тем самым уменьшая скорость сжатия воздуха. Увеличение диаметра сопла помогло бы ещё больше, так как резиновый клапан на носике может увеличить риск разбрызгивания. Каттл рекомендует просто снимать крышку с бутылки, когда она почти пуста.
Авторы работы считают, что их наблюдения можно применить во многих других контекстах: водоносные горизонты для хранения уловленного углекислого газа, некоторые типы вулканических извержений и даже при вентиляции лёгких.
Предварительная версия работы опубликована на arXiv и в настоящее время проходит рецензирование.
