Инженеры продемонстрировали «ореометр»
Задумывались ли вы хоть раз, что разделяя печенье Орео, чтобы добраться до кремовой серединки, вы имитируете стандартный тест в реологии — изучение того, как неньютоновский материал течет при скручивании, сжатии или другой нагрузке? А вот инженеры Массачусетского технологического института подвергли сэндвич-печенье строгим испытаниям материалов, дабы выяснить ответ на вопрос века: Почему при скручивании печенья крем прилипает только к одной печеньке?
«Есть интересная проблема — попытаться добиться равномерного распределения крема между двумя вафлями, что оказывается очень сложно», — говорит Макс Фан, студент факультета машиностроения Массачусетского технологического института.
В поисках ответа команда подвергла печенье стандартным реологическим испытаниям в лаборатории и обнаружила, что независимо от вкуса или количества начинки, крем в центре Oreo почти всегда прилипает к одной пластине, когда ее разворачивают. Только в старых коробках печенья крем иногда более-менее равномерно распределяется между обеими вафлями.
На этом исследователи, разумеется, не остановились: они также измерили крутящий момент, необходимый для открытия Орео, и обнаружили, что он схож с моментом, необходимым для поворота дверной ручки, и составляет примерно 1/10 от того, что требуется для открытия крышки бутылки. Напряжение разрушения крема — т.е. сила на единицу площади, необходимая для того, чтобы крем потек или деформировался — в два раза больше, чем у сливочного сыра и арахисового масла, и примерно такая же величина, как у сыра моцарелла. Судя по реакции крема на нагрузку, команда классифицирует его текстуру как «кашеобразную», а не хрупкую, жесткую или резинообразную.
Почему же крем в печенье прилипает к одной стороне, а не распределяется равномерно между обеими? Возможно, в этом виноват процесс производства.
«На видеозаписях процесса производства видно, что они кладут первую печеньку, затем выдавливают шарик крема на нее, а затем кладут сверху вторую», — говорит Кристал Оуэнс, кандидат наук в области машиностроения Массачусетского технологического института, изучающая свойства сложных жидкостей. «Очевидно, эта небольшая временная задержка может сделать крем лучше прилипающим к первой печеньке».
Исследование команды — это не просто приятное развлечение с претензией на Шнобелевскую премию; это также возможность сделать науку реологии доступной для других. Для этого исследователи разработали 3D-печатный «Ореометр» — простое устройство, которое крепко фиксирует печенье Oreo и использует монеты и резиновые ленты для контроля силы скручивания, которая постепенно разворачивает печенье.
Новое исследование, посвященное «ореологии» появилось в Kitchen Flows, специальном выпуске журнала Physics of Fluids. Оно было задумано в начале пандемии COVID-19, когда лаборатории многих ученых были закрыты или труднодоступны. Помимо Оуэнса и Фана, соавторами работы являются профессора машиностроения Гарет Маккинли и А. Джон Харт.
Кондитерская физика
В стандартном тесте по реологии жидкость, суспензия или другой текучий материал помещается на основание прибора, называемого реометром. Параллельная пластина над основанием может быть опущена на испытуемый материал. Затем пластина закручивается, а датчики отслеживают приложенное вращение и крутящий момент.
Оуэнс, которая регулярно использует лабораторный реометр для тестирования жидких материалов, таких как 3D-печатные краски, не могла не отметить сходство с песочным печеньем. Как она пишет в новом исследовании:
«С научной точки зрения, сэндвич-печенье представляет собой парадигматическую модель реометрии параллельных пластин, в которой образец жидкости, крем, находится между двумя параллельными пластинами. При встречном вращении пластин крем деформируется, течет и в конечном итоге разрушается, что приводит к разделению печенья на две части».
Хотя может показаться, что крем Орео не обладает свойствами, похожими на жидкость, он считается «жидкостью с пределом текучести» — мягким твердым веществом, которое может начать течь при достаточном напряжении, как зубная паста, глазурь, некоторые косметические средства и бетон.
Любопытствуя, изучали ли другие люди связь между «Орео» и реологией, Оуэнс нашел упоминание об исследовании Принстонского университета 2016 года, в котором физики впервые сообщили, что действительно, при скручивании «Орео» вручную крем почти всегда отделяется на одном печенье.
«Мы хотели развить эту идею и выяснить, что на самом деле вызывает этот эффект, и сможем ли мы его контролировать, если аккуратно установим Орео на наш реометр», — говорит она.
Кручение печенья
В ходе эксперимента, который они собирались повторить для нескольких видов печенья с различными начинками и вкусами, исследователи приклеили печенье Oreo к верхней и нижней пластинам реометра и приложили различные степени крутящего момента и углового вращения, отмечая значения, при которых печенье успешно скручивалось. Они подставляли результаты измерений в уравнения для расчета вязкой упругости, или текучести, крема. Для каждого эксперимента они также отметили «посмертное распределение» крема, или то, где крем оказался после скручивания.
В общей сложности команда исследовала около 20 коробок Oreos, включая обычную, Double Stuf и Mega Stuf начинку, а также обычные, темно-шоколадные и «золотые» печенья. Удивительно, но они обнаружили, что независимо от количества кремовой начинки или вкуса, крем почти всегда отделялся на одну вафлю.
«Мы ожидали, что эффект будет зависеть от размера», — говорит Оуэнс. «Если бы между слоями было больше крема, он должен был бы легче деформироваться. Но на самом деле это не так».
Любопытно, что когда они сопоставили результат каждого печенья с его первоначальным положением в коробке, они заметили, что крем, как правило, прилипал к вафлям, обращенным внутрь: Печенье с левой стороны коробки скручивалось так, что крем оказывался на правой вафле, в то время как печенье с правой стороны распадалось, и крем оказывался в основном на левой вафле. Они подозревают, что такое распределение в коробке может быть результатом воздействия окружающей среды после производства, например, нагревания или толчков, которые могут привести к тому, что крем немного отслоится от внешних пластин, даже до скручивания.
Понимание, полученное при изучении свойств крема Oreo, потенциально может быть применено для разработки других сложных жидких материалов.
«Мои жидкости для 3D-печати относятся к тому же классу материалов, что и крем Oreo», — говорит исследователь. «Таким образом, это новое понимание может помочь мне лучше разработать чернила, когда я пытаюсь напечатать гибкую электронику из суспензии углеродных нанотрубок, потому что они деформируются почти точно таким же образом».
Что касается самого печенья, она предполагает, что если бы внутренняя поверхность вафель Oreo была более текстурированной, крем мог бы лучше держаться с обеих сторон и более равномерно делиться при скручивании.
«В том виде, в котором они находятся сейчас, мы обнаружили, ну существует какой-либо особой хитрости в скручивании, которая позволила бы разделить крем равномерно», — заключает Оуэнс.
Кстати, еще один важный кулинарный факт – существует доменная зона, которая идеально подходит поварам и кондитерам — .cooking .