Команда фізиків за допомогою високошвидкісної камери дослідила, як утворюються бульбашки при взаємодії води із нагрітою олією. Крім того, вчені послухали їхнє лускання у мікрофон та описали три механізми, які змушують розпечені краплі олії бризкатися. З'ясувалося, все залежить від радіуса бульбашки води та її відстані від поверхні олії, коли вона у неї потрапляє. Деталі дослідження опубліковані у журналі Physics of Fluids.
Розбризкування олії від потрапляння у неї води. Akihito Kiyama et al. / Physics of Fluids, 2022
Фізики навмисне бризкалися олією?
У приготуванні їжі у фритюрі дуже важливою є температура олії. І в домашніх умовах її доволі легко виміряти: можна опустити у розпечену олію зволожені дерев'яні палички і за тим, як на них з'являться бульбашки, оцінити, чи достатньо нагрілася олія. А власне появу бульбашок можна оцінити за звуком, з яким вони почнуть лускати. Крім того, від взаємодії води із олією також і залежить, чи почне олія «стріляти» гарячими краплями з пательні.
«Від темпури, шніцелів, самоси та картоплі фрі — смажені у фритюрі продукти є улюбленими стравами для багатьох у різних культурах» — пишуть автори роботи на початку своєї статті. І додають, що хоча технологія приготування їжі загальновідома, фізика, що лежить в її основі — заслуговує вивчення. Так команда фізиків з США, Канади і Саудівської Аравії і вирішила дослідити, як саме можна визначити температуру олії за тим, як у ній лускають бульбашки води, та як вони змушують олію бризкатися.
Схема експерименту з бульбашками в олії. Akihito Kiyama et al. / Physics of Fluids, 2022
Як досліджувати бульбашки в олії?
У своїй роботі вчені скористалися двома експериментами. У першому вони експериментували із вологими паличками, так само як і кухарі на кухнях. Так вдалося з'ясувати, що бульбашки на різних матеріалах, навіть однаково зволожених, формуватимуться по-різному незалежно від температури олії. Наприклад, палички для їжі, які перед експериментом не замочували у воді, створювали набагато менше бульбашок. Але у металевих паличках для їжі бульбашок не спостерігалося зовсім.
Занурені в олію зволожені палички та записаний звук шипіння. Akihito Kiyama et al. / Physics of Fluids, 2022
Далі фізики вирішили змоделювати, що відбувається із їжею у фритюрі, а тому поекспериментували зі зволоженим листком паперу. Вони виявили, що кількість і тип бульбашок у такому випадку залежали як від кількості води, так і від температури, а в олії утворювалися різні типи порожнин з пари через появу вологи. Тому вчені вирішили провести серію більш контрольованих досліджень та під наглядом високошвидкісної камери і мікрофону почали експериментувати з одиничними краплями води на дроті, який опускали у гарячу олію. Оцінивши, якої температури потрібна олія для приготування різних страв, вчені зупинилися на діапазоні від 170 до 210 градусів Цельсію.
Чому олія бризкається?
Основним параметром утворення всередині рідини порожнин, тобто бульбашок, є відстань між поверхнею рідини (олії) та краплею до того, як вона утворить бульбашку. А на поведінку впливатиме радіус цієї бульбашки. Таким чином важливою характеристикою є це співвідношення h/R. У ході експериментів вчені виявили три механізми появи бульбашок, того як вони можуть допомогти олії бризкати, а також, як це пов'язане зі звуком.
Так першим типом стала вибухова бульбашка або вибухова порожнина. Температура краплі води кімнатної температури підвищується в міру її наближення та потрапляння в нагріту олію. І через різку зміну температури вже в ній крапля створює мікровибух, народжуючи бульбашку пари. Вона вже може подолати поверхневий натяг олії, якщо h/R<1, створивши гарячі бризки. Як пишуть автори, загальна динаміка цієї події аналогічна до експериментів з поверхневим вибухом, наприклад, петард.
Однак, якщо краплю води помістити глибше в олію, її поведінка стає цікавішою. Так бульбашка формується асиметрично і її верхня частина лускає швидше, ніж нижня, що розташована далі від поверхні. Тож в результаті h/R = 0,5-1,5 виникає низхідний струмінь.
Втім, іноді бульбашка зберігає відносно сферичну форму і може наблизитися до поверхні олії, викликавши вібрацію, але не створивши сильного викиду. Однак це говорить про те, що на відміну від двох інших режимів, нагріта олія може витіснятися численними бульбашками. Тобто швидкий вибух бульбашок на поверхні олії не обов'язково необхідний для того, щоб вона бризнула. Причому всі ці бульбашки формувалися незалежно від температури, але залежно від співвідношення h/R, що говорить, що саме воно визначає поведінку бульбашки і те, як витісняється нагріта олія.
Таким чином, у своїй роботі фізикам вдалося контрольовано відтворити три типи бульбашок, які можуть утворюватися у гарячій олії, що допоможе поглибити розуміння взаємодії між викидом нагрітої рідини, динамікою бульбашок та звуками, які вони при цьому видають. Крім того, як зазначають вчені, майбутні глибші дослідження саме звуків можна поширити, наприклад, на акустичне визначення утворення дрібних крапель (аерозолів), що знадобиться не лише у харчовій промисловості.
Насправді крапель у фізиці дійсно багато. Досліджуючи їх, вчені можуть розробляти розумні матеріали, краще розуміти динаміку рідин та використовувати це для ефективного керування ними. Наприклад, у роботі американських вчених з дослідження кристалізації сіль відростила ніжки та сама видалилась з поверхні, що може посприяти використанню солоної води як технічної. А фізики з MIT для кращого розуміння поведінки крапель змусили їх бігати по гарячій масній поверхні.
Бульбашки і крапельки для фізиків
💧 Іноді на розпеченій поверхні краплі рідин можуть левітувати. Це називається ефектом Ляйденфроста і нещодавно вчені довели існування потрійного його варіанту
🍳 А щоб перевірити, чи існує цей ефект для крижинок, фізики посмажили на розпеченій пательні кригу
👨🚀А деякі експерименти навіть виходять за межі Землі — так науковці вперше створили бульбашки з ультрахолодних атомів на Міжнародній космічній станції