Гидродинамика помогла оптимизировать заваривание фильтр-кофе

Физики изучили динамику гранулированного слоя во время заваривания фильтр-кофе и обнаружили в воронке лавинный эффект, который привел к сильному перемешиванию при различной высоте налива воды. Анализ полученных данных позволил ученым предложить оптимальный способ заваривания: авторы работы предложили лить горячую воду в воронку с большой высоты и делать это медленно, чтобы сохранить ламинарность потока. Результаты опубликованы в Physics of Fluids.

Ученые любят не только пить кофе, но и исследовать его с самых разных сторон: например, физики изучили расслоение молока в латте, а еще выяснили, что эспрессо на мелком помоле оказался невкусным из-за положительной обратной связи. И поскольку вкус кофе напрямую связан с количеством растворенных в нем веществ, исследователи проявляют особый интерес к процессу заваривания. Например, фильтр-метод позволяет регулировать высоту, с которой льется вода, а также время пролива и объем воды — все эти параметры могут сделать кофе более насыщенным и вкусным.

Физики из США под руководством Арнольда Матейссена (Arnold Mathijssen) из Университета Пенсильвании рассмотрели заваривание фильтр-кофе с точки зрения гидродинамики и выяснили, что лавинный процесс в воронке напрямую влияет на количество экстрагированных веществ и, соответственно, вкус напитка.

Сначала исследователи использовали прозрачные гранулы силикагеля в качестве модельной системы, чтобы визуализировать потоки воды в слое вещества. Визуализацию ученые провели с помощью рапидной съемки и лазерного излучения, которое осветило среду в фильтрационной воронке. Физики прибегли к двум скоростям потока, которые варьировали подъемом чайника над экспериментальной установкой на высоту от 2,5 до 22,5 сантиметров. В итоге авторы работы получили два вида струй — одну толщиной 3-5 миллиметров и расходом около 15 грамм в секунду, а другую толщиной 1-2 миллиметра с расходом примерно 5 грамм в секунду. После пролива воды ученые измерили общее количество растворенных частиц (total dissolved solids) — параметр, который численно отразил вкусовые качества напитка.

Когда струя жидкости вылилась, то в процессе падения получила импульс, что в свою очередь позволило воде изменить структуру потока во время удара и сместить гранулированный слой. Физики охарактеризовали это изменение в воронке степенью смешивания, показавшей рост при увеличении высоты, с которой лилась вода. При этом неустойчивость Рэлея — Плато, которая должна была уменьшить степень смешивания из-за захвата воздуха струей, никак не повлияла на результат, вопреки ожиданиям экспериментаторов. А число Рейнольдса в воронке достигло 10⁵, что подтвердило предположения ученых о турбулентности течений в воронке.

Физики объяснили растущую степень смешивания следующим образом: когда струя воды проникла в гранулированный слой, она вытеснила вещество в нижней части конуса, а те частички, что были сбоку, стали неустойчивы к гравитации. Скатывание этих частичек вниз повлекло лавинный эффект, поддерживаемый льющейся сверху жидкостью. Как итог, в готовом напитке вырос показатель общего количества растворенных частиц, изменив вкус кофе.

Авторы работы отметили, что главным выводом их работы стала оптимизация процесса — ученые предположили, что для использования меньшего количества кофе при сохранении вкуса нужно лить воду в фильтр с большой высоты, а также уменьшить скорость потока (то есть лить медленнее), чтобы увеличить время экстракции. Если же не уменьшать величину сырья, то при использовании такого способа можно добиться более насыщенного вкуса и высокой крепости напитка.

Физики любят не только кофе, но и пиво. К примеру, не так давно мы писали о том, как ученые объяснили звук открывающейся пивной бутылки с бугельной пробкой.