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总是倒不好番茄酱?你的非牛顿流体力学一定没学好

时间:
2021年03月17日 |
作者:
H. Joachim Schlichti |
来源:
环球科学(huanqiukexue.com)

伴随着你对待它的方式不同,这种人见人爱的红色酱料会在粘稠和稀疏的状态之间转变。

图片来源:pixabay

撰文|H.约阿希姆·施利希廷(H. Joachim Schlichting)

翻译|王昱

审校|吴非

他1965年,特奥多尔·施文克(Theodor Schwenk)在《敏感的混沌:流水氤氲的造物》(Sensitive Chaos: The Creation of Flowing Forms in Water and Air)中写道:“人们(感受到)这种流体……还没有固化,但是会对外界影响作出反应。”

我们在倒瓶装番茄酱时都有这种体会:即使瓶中剩下很多,也很难从其中倒出来。实际上,从红酒到食用油,所有流体状的食物,都会在容器中有一些残留。原因与容器的可润性(wettability)和物质的粘度有关。通常残留的只有薄薄一层,但番茄酱在容器内部残留的一层厚度却相当可观。就算番茄酱瓶是满的,只是倾斜一点,甚至是完全把它倒过来,都只能从瓶口附近掉出来一点酱汁。然而番茄酱一但倒到你的盘子里,它很容易就散开了。

让番茄酱液化,你需要用力摇晃瓶子,或是用手敲它。如果你不小心的话,撒到食物上的番茄酱可能要比你想要的多得多。

有经验的人知道,在摇晃瓶子后没必要着急,因为起效需要一点时间:趁这时你可以放松点,摘掉瓶盖,将瓶口瞄准你的食物。

番茄酱这个令人讨厌的特性不可避免地引发了一个问题:为什么食品制造商没能解决这个问题?答案很简单,番茄酱是被故意设计成这样的——不是为了惹人烦恼,而是因为一些情况下的确需要这些特性。比如,一窄条番茄酱应该留在热狗上,当你把热狗塞进嘴里时,它也不会溅到衣服上。番茄酱也不应该太粘,每咬一口,它应该立即在你的嘴里融化,无需咀嚼就能品尝。

物理层面上,番茄酱在摇晃、涂抹和被吃掉时承受压力。这堆物质的底部落在固体表面上,在静止时是粘稠的,而上层却可以自由流动。在“牛顿”流体中,粘度和施加在流体上的压力无关。对于番茄酱这种“非牛顿”流体,情况有所不同,因为更强的力会降低粘度。

这种行为,被称为剪切稀化,是由以增稠剂的形式被添加到酱汁(番茄糊、糖和其他成分的混合物)中的聚合物引起的。聚合物是由长原子链组成的复杂分子,它们相互缠绕并向周围释放能量。在这种状态下,聚合物非常粘稠。然而,施加足够大的剪切力时,提供了拉伸聚合物分子并使其纵向排列所需的能量。这些分子链变得容易彼此滑动,从宏观上看,结果是粘度降低。

一但剪切力减弱,番茄酱有条件沉降,聚合物分子就会再次纠缠到一起并释放能量。这个过程需要一点时间,这也解释了为什么酱汁在摇晃、剪切运动后不会马上溶解。

日常生活中还有诸如洗发水等物质会发生剪切稀化。少量洗发水很缓慢地流到你的手掌中,给你足够的时间举起手,把它揉进头发里。之后就几乎没有任何阻力,因为起泡的剪切力使液体变稀。尽管洗发水和番茄酱有相似性,它们还是有一点显著的区别:洗发水可以因为重力自由流动,而番茄酱则不然。热狗上的番茄酱只会呆在原地。另外两种非牛顿液体,墙面涂料和牙膏也会在被塑形后保持原样。

如果一些流体的粘度随剪切应力而减小,是否还有粘度增加的呢?实际上,厨房里就能找到一种常见的剪切增稠的物质:玉米淀粉和水混合形成的糊状物。这种混合物很容易以中等速度搅拌。但是当速度加快时,混合物的粘度会增加,最终变得非常坚硬,直到搅拌勺卡住为止。

这种水淀粉混合物的行为类似于流沙。在温和外力作用下,沙粒彼此滑动,因为它们被水润滑。突然的压力会将水从缝隙中挤出,迫使固体成分聚集在一起,极大地增加了阻力。和流沙一样,淀粉分子被一层水隔开。当强大的力量让它们彼此接触时,混合物就会结合在一起。

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图片来源:pixabay

食品工业已经找到了不同的方法来解决番茄酱这种令人不安的性质:可以用软塑料瓶或袋子包装这种调味品。只需要轻轻一挤就足以克服番茄酱的阻力。这个方案简化了处理过程,不过,这也让从瓶里弄出来最后一点番茄酱这项运动,和瓶子完全清空时那种胜利的喜悦,也一并消失了。

原文链接:

https://www.scientificamerican.com/article/ketchup-is-not-just-a-condiment-it-is-also-a-non-newtonian-fluid/

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