Американские физики связали слипание двух параллельно висящих цилиндрических лапшин со степенью их готовности, выраженной через распределение в них воды и их механические свойства. Чтобы сделать это, им пришлось построить подробную модель диффузии воды внутрь крахмала, а также связать ее концентрацию с упругостью набухшей лапшины. Результаты показали хорошее согласие с экспериментом. Исследование опубликовано в Physics of Fluids.
Макаронные изделия интересны физикам не только в качестве блюда, но и как объекты, которые позволяют увидеть множество интересных механических, гидростатических и гидродинамических явлений. Речь идет как о сложном характере механических волн, распространяющихся по сухой тонкой макаронине, из-за которого ее невозможно разломать руками только лишь на две части, так и о связи эластичности макарон с их набуханием в воде и нагревом. Исследования в этом направлении позволили построить первые модели размягчения спагетти при варке и даже научиться программировать форму готовой пасты.
Подобные исследования имеют понятную практическую значимость: модели, развитые с помощью доступных и дешевых макарон, помогут лучше прогнозировать поведение материалов, которые набухают и размягчаются подобно крахмалу. Есть польза и для промышленной кулинарии, ведь деформация макарон может стать критерием их готовности. С другой стороны, механические свойства спагетти или лапши определяют также и баланс между силами упругости и капиллярными силами при их слипании. В этом легко убедиться, просто зачерпнув спагетти вилкой.
Подробнее установить эту связь решила группа физиков из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне, изучив, как на лапшу влияют различные режимы варки. Они провели серию экспериментов, в которых следили за тем, как слипаются две сваренные в дистиллированной воде лапшины, висящие рядом друг с другом на небольшом расстоянии. Это происходит из-за образования мениска при вытаскивании их из воды. Слипшиеся лапшины напоминают по форме букву Y, и авторы задались вопросом, что именно определяет положение точки слипания.
Для ответа на этот вопрос ученые углубились в исследование процессов диффузии воды в крахмаловую матрицу с последующим набуханием и размягчением макарон. Сложность задачи заключалась в том, что набухание цилиндрической лапшины происходит неравномерно: вода скапливается в первую очередь на ее краях, в то время как сердцевина может оставаться жесткой. Чтобы получить четкую картину этого процесса, физики записывали второй закон Фика в цилиндрической системе координат для коэффициента диффузии молекул воды, зависящего от их концентрации. Решение этого уравнения позволило им сделать вывод о росте диаметра лапшины со временем, что авторы также проверили с помощью линейки. Такое сравнение не только показало справедливость расчетов, но и позволило узнать точные параметры для решений.
Однако для ответа на главный вопрос исследования нужно было еще понять, как набухание влияет на изгибную жесткость лапшины. Неоднородность набухания и здесь приводит к усложнению, из-за чего при построении численной модели физикам пришлось разбить макаронный цилиндр на 50 соосных подцилиндров. Чтобы связать параметры модели с реальностью, авторы измеряли модуль упругости лапшин, растягивая их с помощью лабораторного динамического механического анализатора.
Анализ показал, что их модуль Юнга уменьшается со временем на четыре порядка по довольно нетривиальному закону. Физики выделили три режима состояния лапшины — от стекловидного через промежуточный к резиноподобному. Последний характеризуется насыщением лапшины водой, включая сердцевину.
Наконец, физики смогли сопоставить высоту слипания и степень готовности макарон, выраженную через знание об их насыщенности водой и механической устойчивости на разрыв (предположительно, зубами). Ученые убедились, что варка при температуре 100 градусов по Цельсию происходит ощутимо быстрее, чем при температуре 80 градусов. Неожиданным, однако, оказалось влияние поваренной соли: моделирование показало, что ее добавление ускоряет диффузию молекул воды в крахмаловую матрицу, а также на два порядка увеличивает модуль Юнга лапши по сравнению с варкой в дистиллированной воде. Авторы надеются, что их работа поможет быстрее находить условия для приготовления наиболее вкусной лапши, а также послужит хорошим экспериментом для обучения механике.
Использование еды для изучения физики — идея не новая. Мы уже рассказывали, как вафли с карамелью в шоколадной глазури послужили студентам объектом для изучения композитных материалов.
Марат Хамадеев