Инженеры разобрались с искривлением морковки в холодильнике

Инженеры изучили факторы, влияющие на кривизну нарезанной моркови. Оказалось, что морковка отклоняется от плоскости разреза при высыхании из-за изменения упругости ее внешней оболочки. Исследование, советующее хранить нарезанную морковь в герметичных упаковках, опубликовано в журнале Royal Society Open Science.

Морковь обыкновенная (Dáucus caróta) уже продолжительное время культивируется человеком и лишь недавно ученые смогли объяснить оранжевый цвет корнеплода. И хотя морковь является популярным продуктом, до сих пор 25-30 процентов отбраковывается еще на этапе производства и упаковки из-за деформированных или инфицированных участков. Продающаяся свеженарезанная морковь отчасти решает эту проблему, используя части деформированных корнеплодов, однако она крайне чувствительна к условиям хранения и транспортировки.

На помощь в решении этой проблемы пришли инженеры под руководством Элис Пэгг (Elise C. Pegg) из Университета Бат. Их задачей стало изучение искривления нарезанных морковок в зависимости от механических воздействий и факторов окружающей среды, чтобы снизить потери продуктов из-за неправильных условий хранения. Подойти к этому вопросу они решили с двух сторон: с помощью эксперимента и расчета методом конечных элементов.

Для экспериментального изучения исследователи приобрели 52 свежих морковки сорта Нантес и разрезали их пополам. Затем они крепили каждую половинку моркови одним концом на лабораторный стенд горизонтально, но чтобы тонкий кончик свободно висел, и измеряли кривизну. После чего морковь вертикально помещалась в зип-локе в холодильник и хранилась там на протяжении нескольких дней. При этом на третий и седьмой день эксперимента морковь доставали и снова измеряли кривизну. Оказалось, что средний радиус кривизны морковок постепенно падает от 1,61 метра на первый день до 1,14 метра после недели, средняя усадка в день — 0,37 процента. При этом несколько морковок с длиной больше 21.6 сантиметра кончиками выступали за пределы пакета, их кривизна изменялась гораздо быстрее, а кончики становились коричневыми от окисления.

Механически морковку можно представить как коническое тело с ортотропными свойствами в модели Ламе — то есть механические свойства вдоль морковки и поперек различаются и описываются девятью параметрами по три модуля Юнга, коэффициента Пуассона и модуля сдвиговых нагрузок. При этом внутренность морковки состоит из сосудистых каналов ксилема и флоэма, а потому описывалась отдельно от внешнего слоя. Чтобы определить толщину внутреннего слоя, авторы взяли девять морковок сорта Нантес, разрезали их крест-накрест и измерили диаметр сосудистой части на расстоянии от макушки в один сантиметр, два сантиметра и с шагом в два сантиметра до кончика морковки. Соотношение диаметра внутренней части к внешней меняется от 0.46 у макушки морковки к 0.26 у кончика.

С помощью программы Ansys Mechanical инженеры рассчитали нагрузки в полученной CAD-модели половинки идеальной моркови с осевой симметрией. Шаг сетки после теста сходимости был выбран в 1,5 миллиметра. Искривление при этом возникает вследствие изменения протяженного модуля Юнга во внешнем слое морковки. Оказалось, что модель слегка занижает жесткость морковки, что авторы связывают с влиянием кончика морковки, процесс высыхания которого происходит гораздо быстрее, чем у остальной части моркови вследствие более высокого отношения площади поверхности к объему. Несмотря на довольно грубые предположения в модели, сильно упрощающие ее рассмотрение (такие, как пренебрежение прочностью на растяжение внутреннего слоя, игнорирование сдвиговых напряжений и отсутствие учета модуля упругости в радиальном распределении), сходимость расчетной кривизны с высокой степенью описывает экспериментальную.

Таким образом, авторы смогли разобраться в механизме искривления морковки, однако сами заявляют, что в случае неровной морковки в игру вступают сдвиговые деформации и изгиб с вращением, что делает эту задачу куда сложнее, но в будущем они планируют разобраться и с ней. Для производителей морковки авторы советуют хранить ее половинки в холодных, влажных и воздухонепроницаемых условиях, чтобы морковь дольше сохраняла свои питательные и эстетические свойства.

Морковь, которая богата витамином А, помогает не только острому зрению. Недавно британские ученые выяснили, что употребление моркови коррелирует со снижением риска образования злокачественных опухолей.