Американские физики разработали математическую модель, которая описывает подбрасывание продуктов при прожарке в технике стир-фрай в воке. Оказывается, что движение сковороды можно разложить на композицию поступательного и вращательного движений, сдвинутых по фазе. Ученые считают, что разработанная модель поможет построить роботов, которые умеют не только перемешивать, но и подбрасывать продукты. О результатах своей работы исследователи рассказали на 71-ой ежегодной встрече Отдела гидродинамики Американского физического сообщества (71st Annual Meeting of the APS Division of Fluid Dynamics). Кратко об исследовании сообщает Phys.org.
Обновлено: в феврале 2020 года статья опубликована в журнале Journal of the Royal Society Interface.
Стир-фрай (stir-fry) — это традиционная для кантонской кухни техника обжаривания продуктов. В этой технике ингредиенты помещаются в вок — глубокую сковороду с пологими стенками — и заливаются небольшим количеством очень горячего масла, разогретого до температуры порядка 200 градусов Цельсия (чуть ниже температуры дымления). Чтобы продукты не пригорели, их постоянно помешивают или подбрасывают в воздух. В результате они карамелизуются и приобретают особый вкус, который называют «вкусом вока» или «дыханием вока» (wok hei).
Физики Дэвид Ху (David Hu) и Хунтан Ко (Hungtang Ko) пронаблюдали за готовкой в технике стир-фрай и разработали математическую модель, которая объясняет, как поварам удается поджарить, но не сжечь продукты. Для этого Дэвид Ху поехал в Тайвань и заснял на скоростную камеру двух поваров, обжаривающих рис (при этом повара думали, что участвуют в кулинарном шоу, а не в научном исследовании). В среднем на приготовление одной порции у них уходило около двух минут. На протяжении всего времени обжарки вок практически не отрывался от плиты и продолжал нагреваться.
Затем ученые проанализировали видео и обнаружили, что процесс готовки состоит из повторяющихся циклов длиной около 0,3 секунды, каждый из которых можно разбить на четыре фазы. В первой фазе шеф-повар наклоняет вок и слегка пододвигает его к себе, чтобы поймать падающий рис. Во второй фазе, когда большая часть риса уже «приземлилась», вок находится в наиболее удаленной точке. В третьей фазе шеф отодвигает вок и поворачивает его в противоположную сторону, подбрасывая рис. Наконец, в последней фазе большая часть риса находится в воздухе, тогда как сковорода стоит параллельно плите. Таким образом, движение вока состоит из композиции поступательного и вращательного движения, которые сдвинуты по фазе; другими словами, повар начинает вращать сковороду только тогда, когда ее поступательное движение в самом разгаре. В результате получается, что противоположные концы сковороды вращаются в противоположные стороны — этим стир-фрай существенно отличается от подбрасывания блинчиков на сковороде, при котором поступательное и вращательное движение синхронизированы.
После этого исследователи разработали математическую модель, которая описывает поведение риса при подбрасывании. Ученые считают, что с помощью этой модели легко можно построить робота, который владеет техникой стир-фрай. Все предыдущие попытки заканчивались неудачно — хотя роботы уже научились смешивать продукты, вращая их или потряхивая, они не умеют подбрасывать содержимое вока в воздух, а потому не способны достигнуть высоких температур, необходимых для карамелизации продуктов. В то же время, постоянное подбрасывание сковороды требует высокой степени концентрации и быстрой реакции, близкой к пределу человеческих возможностей. В самом деле, около 60 процентов азиатских поваров страдают от мышечных проблем. Если инженеры действительно разработают роботов, умеющих подбрасывать рис, это удешевит и значительно упростит процесс готовки.
Ученые часто пытаются применить последние достижения науки, чтобы сделать потребление пищи более приятным. Например, инженеры из Сингапура и США разработали палочки и миску, которые меняют вкус еды на кислый или соленый, а британские ученые предложили переносить маленькие кусочки пищи по воздуху с помощью акустического левитатора. Кроме того, иногда исследователи используют свои разработки для улучшения напитков. Так, немецкие химики создали искусственные «языки», которые умеют отличать настоящий виски от контрафакта, а шведские физики объяснили, почему виски полезно разбавлять водой.
Дмитрий Трунин
Устройство необходимо для разгона электронов в линейном ускорителе
Ученые из Института ядерной физики имени Будкера СО РАН создали ключевой элемент будущего источника синхротронного излучения СКИФ — клистрон, устройство, которое будет обеспечивать линейный ускоритель СКИФа током высокой мощности и сверхвысокой частоты, сообщили пресс-службы института и Минобрнауки РФ. Разработка стала вынужденным шагом: ученые планировали закупить клистроны в Японии, но из-за санкций фирма-подрядчик разорвала контракт. Проект «Сибирского кольцевого источника фотонов» (СКИФ) был утвержден в октябре 2019 года. Предполагается, что он будет генерировать синхротронное излучение с энергией фотонов от 1 до 100 килоэлектронвольт, которое будет использоваться для высокоточного рентгеноструктурного анализа, то изучения характера рассеяния излучения в толще образца. Такого рода «просвечивание» необходимо для многих задач в физике твердого тела, для разработки новых материалов, биомедицинских исследований. Подробнее об этом мы писали в материале «Больше синхротронов». Первый элемент СКИФа — линейный ускоритель (линак), который должен будет выдавать поток электронов с энергиями в 200 мегаэлектронвольт. Частицы разгоняются в нем благодаря переменным электрическим полям высокой частоты в СВЧ-резонаторах. В свою очередь, для питания СВЧ-резонаторов нужен электрический ток сверхвысокой частоты. Устройство, которое для этого предназначено, называется клистроном. В апреле 2023 года физики ИЯФа проверили в действии «первую ступень» линака, разогнав в нем электроны до энергии 30 мегаэлектронвольт. Однако, как пояснил N + 1 завлабораторией ИЯФ Алексей Левичев, в этом эксперименте использовался клистрон японской фирмы Canon, который институт успел получить до введения санкций. По его словам, для полноценной работы линака требуется четыре клистрона — три работающих и один резервный. Поскольку клистроны с нужными параметрами выпускают только в США, Франции и Японии, физикам пришлось создавать устройство самостоятельно. Клистрон представляет собой разновидность электронной лампы. В нем есть катод, где формируется поток электронов. Затем этот поток ускоряется и попадает во входной резонатор, где под действием электрического поля он становится дискретным — разбивается на сгустки, которые, в свою очередь, наводят ток сверхвысокой частоты в выходном резонаторе. Затем электроны «ловит» коллектор и цикл повторяется. Таким образом из непрерывного тока получают ток с частотой колебаний около 3 гигагерц. При испытаниях клистрона, созданного в ИЯФе была получена мощность в 50 мегаватт. По словам, директора ИЯФ Павла Логачева, создать собственный клистрон устройство они смогли благодаря благодаря тому, что Национальная ускорительная лаборатория SLAC подарила институту клистрон, и физики научились с ним работать. По его мнению, эта технология в дальнейшем будет востребована для других ускорительных установок в России — для синхротрона, источника комптоновского излучения в Сарове, источника нейтронов в Дубне. По словам Левичева, проект линейного ускорителя разрабатывался под параметры японского клистрона, поэтому собственная их установка в максимально возможной степени соответствует «исходнику». Однако соответствие все же не стопроцентное, поэтому, вероятнее всего, три сибирских клистрона будут основными, а японскому останется роль резервного. Испытания линака со всеми тремя клистронами и на проектной энергии в 200 мегаэлектронвольт сейчас планируются на лето 2024 года, добавил Левичев. Раньше мы рассказывали, как японским ученым удалось увидеть с помощью синхротрона двухщелевую самоинтерференцию одиночных электронов во времени.