Para cualquier persona que se haya maravillado con las capas de colores vivos en un café con leche, no está solo. Los investigadores de Princeton, igualmente intrigados, ahora han revelado cómo se desarrolla esta estructura escalonada cuando se vierte el espresso en la leche caliente.
"La formación de la estructura en un café con leche es sorprendente porque evoluciona desde el vertido caótico, inicial y la mezcla de fluidos en una disposición muy organizada y distinta de capas", dijo Nan Xue, autor principal de un artículo que describe los hallazgos en Comunicaciones de la naturaleza y un estudiante graduado en el laboratorio de Howard Stone, el profesor Donald R. Dixon '69 y Elizabeth W. Dixon de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial en Princeton.
Las técnicas de pulido para producir capas buscadas haciendo fluir líquidos entre sí podrían reducir los costos y la complejidad en una variedad de aplicaciones.
"Desde una perspectiva de fabricación, un solo proceso de vertido es mucho más simple que el apilamiento secuencial tradicional de capas en un producto estratificado", dijo Stone. "En una aplicación de este estudio, estamos explorando la física detrás de hacer una estructura en capas completa".con un paso, en lugar de apilar las capas una por una ".
La inspiración para el proyecto de investigación provino de una imagen no solicitada y enviada por correo electrónico de una bebida de café en capas enviada a Stone. Con Xue buscando un proyecto para emprender cuando comenzó su trabajo de posgrado, inicialmente investigó el concepto preparando lattes en ellaboratorio, usando café y leche comprados en la tienda.
Después de varios intentos, se hizo evidente para Xue que permanecer dentro de ciertos parámetros, como las temperaturas y las tasas de vertido, permitía un café con leche característico. Estos esfuerzos insinuaron la física subyacente y cuantificable que tenía que estar involucrada en su estructura líquidaformación.
Para controlar con mayor precisión su modelo de capas de café con leche, Xue y sus colegas optaron por una receta suplementaria que haría temblar a un barista: agua teñida que sustituye el café caliente y agua salada y más densa por la leche tibia.
Un panel de diodos emisores de luz y una cámara luego iluminaron y capturaron el movimiento de los fluidos dentro del brebaje. Los investigadores sembraron la mezcla con partículas trazadoras, que dispersaron la luz de un rayo láser verde, para seguir el rastro interno de la falsa lattedinámica, una técnica llamada velocimetría de imagen de partículas. Finalmente, se realizaron simulaciones numéricas para comparar los datos recopilados con varios modelos del sistema en evolución de mezclar líquidos.
El análisis general mostró que el mecanismo primario detrás de la estratificación es un fenómeno conocido como convección de doble difusión. Ocurre cuando los fluidos apilados de diferentes densidades, impulsados por la gravedad para mezclar sus contenidos, intercambian calor a través del movimiento de sus constituyentesdentro de una mezcla determinada, los líquidos más densos y fríos se hunden, mientras que los líquidos más ligeros y más calientes se elevan. Sin embargo, este hundimiento y el aumento se detienen cuando la densidad local en una región dentro de un café con leche se acerca a un equilibrio. Como resultado, el fluido allífluir horizontalmente, en lugar de verticalmente, creando distintas bandas o capas.
A través de sus experimentos, los investigadores examinaron cómo la velocidad de la inyección de fluido de la leche tibia también es importante. Si se vierte demasiado lentamente, el fluido más denso se mezclará de manera uniforme a medida que fluye hacia el fluido menos denso. Una velocidad de vertido más rápidahace que el primero atraviese al segundo y desencadene los movimientos rápidos que culminan en la estratificación deseada cuando se establecen equilibrios de densidad.
Se necesita hacer un trabajo adicional para caracterizar el efecto de estratificación demostrado en los lattes para extender el control del mismo a otros líquidos nivelados y semisólidos. Pero los hallazgos preliminares de Xue y sus colegas ya han demostrado cómo la actividad dentro de una bebida común podríaconducir a ideas poco comunes.
"Este resultado muestra la belleza de la mecánica de fluidos y es muy significativo", dijo Detlef Lohse, profesor de mecánica de fluidos en la Universidad de Twente en los Países Bajos, que no participó en el estudio ". Creo que tendrá relación condiversos flujos industriales y procedimientos de mezcla en la denominada tecnología de proceso, en la que la mezcla de fluidos con diferentes densidades mediante la inyección de uno en el otro es omnipresente ".
Lohse señaló además cómo la investigación de Princeton podría ayudar a explicar mejor los flujos de agua dependientes del calor y la salinidad en los vastos océanos de la Tierra, un fenómeno que tiene implicaciones clave en climatología y ecología ". El hallazgo más sorprendente puede ser que hayaanalogía perfecta entre las capas en un café con leche ", dijo Lohse," y las capas de agua conocidas y extremadamente relevantes con diferentes temperaturas y concentraciones de sal en el océano ".
Entre los autores adicionales del artículo se incluyen Sepideh Khodaparast, Lailai Zhu, Janine Nunes y Hyoungsoo Kim, todos parte del laboratorio de Stone en Princeton. Zhu también está afiliado al Linne Flow Center y al Swedish e-Science Research Center en el KTH Royal Institutede Tecnología en Estocolmo. Kim también está afiliada al Departamento de Ingeniería Mecánica del Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea en Deajeon, Corea del Sur. El trabajo fue apoyado por la National Science Foundation, la Swiss National Science Foundation y el Swedish Research Council.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Princeton, Escuela de Ingeniería . Original escrito por Adam Hadhazy. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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