Физики измерили теплопроводность сферической картошки и помидоров
Американские физики описали дешевый метод измерения коэффициентов теплопроводности и температуропроводности у фруктов и овощей с помощью придания им сферической формы и опускания в кипяток. Измерению подверглись картофель, батат, тыква, таро, редис, баклажан, лимон, помидор и лук. Результаты оказались в ряде случаев точнее, чем литературные данные, а суммарная стоимость материалов и инструментов для проведения измерений составила около 100 долларов. Исследование опубликовано в American Journal of Physics.
Готовка еды и ее употребление — это неотъемлемая часть деятельности человека и нередко становится объектом научного познания. Процесс готовки представляет собой сложный физико-химический процесс, поэтому его исследование зачастую представляет собой нетривиальную задачу. Тем не менее прогресс есть. Например, физика помогает ученым готовить более вкусную лапшу и жареную курицу.
Вместе с тем и сами продукты питания часто становятся объектом исследования. Так, ученые исследуют оптические спектры манговых и апельсиновых соков, недеструктивно измеряют красноту яблок с помощью интерактантной спектроскопии, а также проверяют законы диффузии с помощью маринованных яиц. Наконец, еда — это дешевый материал опытов для «большой» науки: теории композитных материалов, гранулированного газа и реологии. Использование продуктов в эксперименте делает их доступнее для людей и образовательных организаций, которые не обладают большим бюджетом для создания полноценных лабораторий.
Другим примером стал эксперимент, проведенный группой американских учителей и школьников под руководством Джима Вана (Jim Wang) из NanoNuvo Corporation. В своих опытах авторы адаптировали метод измерения теплопроводности по Ансуорту к девяти разным овощам и фруктам: картофелю, батату, тыкве, таро, редису, баклажану, лимону, помидору и луку. Метод Ансуорта и Дуарте заключается в придании материалу сферической формы и помещении в его середину термопары, после чего объект помещают в горячую среду известной температуры и измеряют зависимость температуры в середине сферы от времени. В отличие от оригинального исследования, группа не только использовала нетипичные материалы, но и меняла диаметр сфер, что дало возможность исследовать масштабирование процесса теплопроводности.
Самые точные результаты у авторов получились при работе с твердыми овощами: картофелем, бататом, тыквой, таро, редиской и баклажаном, — поскольку из них проще всего было сделать идеальные сферы. Для их формирования они использовали обыкновенную Y-образную овощечистку. Оставшиеся продукты не поддавались сферическому формообразованию, поэтому исследователи изначально брали плоды, близкие по форме к шару. И если в первом случае отклонение от сферичности, выраженное через дисперсию диаметров, измеренных в 10 различных направлениях, не превышало миллиметра, то во втором случае оно могло достигать двух миллиметров.
Каждый образец помимо измерения размера подвергался взвешиванию, что позволяло вычислить плотность продукта, чтобы связать коэффициенты теплопроводности и температуропроводности. Ученые аккуратно вставляли в каждую сферу провод термопары таким образом, чтобы миллиметровый зонд оказался ровно в ее центре. После этого они помещали шарик в кипяток и начинали измерение температуры.
Получающиеся графики имели нелинейный вид. Для их интерпретации физики решали уравнение теплопроводности для сферически симметричной геометрии, в которой остается всего одна радиальная координата. Подгонка решения к экспериментальным кривым позволила извлечь коэффициент температуропроводности, а повторение опыта с разными радиусами убедиться, что скорость нагрева масштабируется как площадь поверхности сферы, через которую тепло проникает внутрь.
Таким способом удалось получить новые данные по фруктам и овощам, которые в ряде случаев оказались точнее, чем данные из литературы. Вместе с тем, физики увидели, что результат получается различным, если аппроксимировать разные временные участки эксперимента. Например, если в начале опыта (0–250 секунд) коэффициент температуропроводности картофеля был равен 1,32 × 10−7 квадратных метров на секунду, то на более позднем этапе (более 400 секунд) он достиг значения 1,42 × 10−7 квадратных метров на секунду. Авторы связывают это с тем, что картофель банально сварился, а, значит, изменилась его внутренняя структура вместе с теплопроводящими свойствами, чего их модель не учитывала. В статье не сообщается, съели ли они образцы по окончанию экспериментов.
Общая стоимость материалов и инструментов, использованных в исследовании, составила около 100 долларов. Из них чуть больше половины было потрачено на термопару и вольтметр. Измерение каждого образца заняло у авторов около 10–30 минут, в зависимости от диаметра образца. Все это делает проведенный опыт доступным практически любому, кто хотел бы экспериментально исследовать теплопроводность.
От редактора
В первоначальном варианте текста коэффициент температуропроводности был по ошибке назван коэффициентом теплопроводности. Благодарим внимательного читателя.
N + 1 не первый год следит за кулинарными экспериментами в лабораториях. С подборкой блюд, которые можно приготовить с помощью научного оборудования, вы можете ознакомиться в материале «Лаба по кулинарии».
Марат Хамадеев
И впервые сделали это в однородном твердом теле
Физики впервые пронаблюдали образование хопфионных колец вокруг скирмионных струн в тонкой пленке гелимагнетика FeGe и разработали протокол для их воспроизводимой генерации. Проведенная микромагнитная симуляция показала, что такие состояния являются устойчивыми, и могут применяться в спинтронике. Результаты опубликованы в журнале Nature. Хопфион — это трехмерный топологический солитон, представляющий локализованное возбуждение намагниченности, который может перемещаться и взаимодействовать как частица. Его можно представить как результат вращения вертикальной плоскости, в которой находится скирмион, который уже научились контролировать с помощью бомбардировки атомами аргона, использовать для записи информации и выполнять логические операции. В твердом теле скирмионы образуют струны, протянутые от одного края кристалла до другого. Однако их структура не является жесткой — их можно гнуть и закручивать, что, например, позволяет получать скирмионные сплетения. Их наблюдали в конденсате Бозе — Эйнштейна из атомов рубидия-87, а также обнаружили в луче света с суперпозицией право- и левополяризованных фотонов. Фэншань Чжэн (Fengshan Zheng) с коллегами из Южно-китайского технологического университета получили хопфионные кольца из замкнутых закрученных скирмионных струн вокруг линейных скирмионных струн в тонкой пленке FeGe. Для наблюдения за их образованием они использовали просвечивающий электронный микроскоп, который позволяет получать микрофотографию образца, создавая при этом магнитное поле, не искажающее данные. Чтобы получить хопфионное кольцо вокруг скирмионной струны, авторы разработали специальный протокол. Для начала пластинка FeGe была помещена в положительное магнитное поле с напряженностью в 250 миллитесла. После этого магнитное поле направлялось в обратную сторону, но с напряженностью в 50 миллитесла, чтобы не разрушить скирмионные струны. При таком воздействии намагниченность меняет знак по периметру диска. После чего магнитное поле вновь возвращали в начальное положение, а на периметре диска возникали краевые модуляции, которые при увеличении магнитного поля сжимались и формировали хопфионное кольцо. Повторив такие манипуляции возможно сформировать и второе хопфионное кольцо, однако данный процесс нередко приводил и к исчезновению обоих колец. Авторы получили множество конфигураций скирмионных струн и хопфионных колец: например, получили хопфионное кольцо вокруг 12 скирмионных струн, а также изучили как их геометрия изменяется при увеличении магнитного поля. Все фигуры сжимаются, при этом ромб из четырех струн становится идеальным квадратом, а пяти и шести струнные массивы стремятся к идеальному пятиугольнику, только в последнем случае скирмионная струна оказывается в центре. Подобное поведение напрямую коррелирует со стремлением хопфионного кольца, которое в малых полях воспроизводит форму массива струн, стать окружностью. Микромагнитное моделирование также позволило получить похожие устойчивые решения солитонов. Для этого авторы минимизировали энергию гамильтониана, включавшего в себя обменное взаимодействие, взаимодействие Дзялошинского — Мория, зеемановское расщепление и размагничивающие поля. С помощью моделирования удалось также посчитать, каким образом хопфионное кольцо будет перемещаться вдоль скирмионной струны. По словам авторов, подобная генерация хопфионных колец и управлением ими найдет широкое применение в спинтронике и нейроморфных вычислениях. А два года назад физики уже научились управлять отдельными скирмионами.
