A física oferece um caminho para melhores cervejas

O custo dos feijões arábicos brutos, o componente central da maioria dos café, aumentou nos últimos anos devido a quatro temporadas consecutivas de clima adverso. As mudanças climáticas adicionaram mais tensão, ameaçando o delicado equilíbrio de temperatura exigido pela planta de Coffea Arábica. Essa pressão crescente inspirou físicos da Universidade da Pensilvânia a perguntar: podemos fazer um ótimo café com menos grãos?

“Há muita pesquisa sobre mecânica de fluidose há muitas pesquisas sobre partículas separadamente “, diz Arnold Mathijssen, professor assistente da Escola de Artes e Ciências.” Talvez este seja um dos primeiros estudos em que começamos a reunir essas coisas “.

Suas descobertas, publicadas na revista Física de fluidosforneça uma abordagem científica para melhorar a eficiência da extração tão menos café Os motivos podem ir mais longe sem diminuir a qualidade geral.

“Tentamos encontrar maneiras de usar menos (ou) o mínimo possível de café e apenas aproveitar a dinâmica fluida do derramamento de uma chaleira pescoço para aumentar a extração que você obtém do café-enquanto usando menos motivos”, diz o co-autor Ernest Park, pesquisador de pós-graduação do Mathijssen Lab.

O experimento exigia que o invisível visível, explica o co-autor Margot Younger, pesquisador de pós-graduação no laboratório Mathijssen.

“A opacidade do café torna complicado observar diretamente a dinâmica de derramamento, por isso trocamos partículas de sílica gel transparentes em um cone de vidro”, explica Park.

Uma folha de laser e Câmera de alta velocidade Permitimos que eles assistissem aos riachos de água criando “avalanches em miniatura” de partículas – revelando o funcionamento interno do fluxo. A água derramada a partir de uma altura produz o efeito de avalanche que agita o leito das partículas e aumenta a extração.

Um fator-chave nesse processo é o fluxo laminar, ou liso e não superpurbulento-possível por uma chaleira pescoço, mesmo com um fluxo suave de derramamento. “Se você fosse apenas usar uma chaleira common, é um pouco difícil de controlar para onde vai o fluxo”, diz Park. “E se o fluxo não for laminar o suficiente, ele também não desenterra a cama de café”.

A equipe descobriu que, quando a água é derramada de uma altura, cria um efeito de mistura mais forte.

“Quando você está preparando uma xícara, o que obtém todo o sabor do café e todas as coisas boas do terreno é o contato entre os jardins e a água”, explica jovem. “Então, a idéia é tentar aumentar o contato entre a água e os terrenos em geral no derramamento”.

Eles descobriram que, se derramados de uma altura muito grande, o fluxo de água se separa em gotículas, carregando ar com ele no cone de café, o que pode realmente diminuir a eficiência da extração.

Os pesquisadores realizaram experimentos adicionais com jardins de café reais para medir o rendimento de extração dos sólidos dissolvidos totais. Seus resultados confirmaram que a extração do café pode ser ajustada prolongando o tempo de mistura com vazamentos mais lentos, mas mais eficazes, que utilizam a dinâmica de avalanche.

Para o fluxo de água mais espesso, eles descobriram que derramamentos mais altos resultaram em café mais forte, confirmando suas observações sobre o aumento da agitação com alturas de vazamento mais altas. Ao usar um jato de água mais fino, a extração permaneceu consistentemente alta em diferentes alturas de vazamento, possivelmente devido ao tempo de derramamento mais longo necessário para atingir o quantity alvo.

Amplas implicações que se estendem além da cozinha

O estudo é uma carta de amor ao café – e também é uma janela para a pesquisa mais ampla da equipe. “Não estávamos apenas fazendo isso por diversão”, diz Mathijssen. “Tínhamos as ferramentas de outros projetos e o café percebemos que poderia ser um sistema modelo elegante para explorar princípios físicos mais profundos”.

Esses princípios se estendem muito além da cozinha, observa Younger. “Esse tipo de comportamento fluido nos ajuda a entender como a água corroe as rochas sob cachoeiras ou atrás das barragens”, diz ela. Até Tratamento de águas residuais E os sistemas de filtração envolvem dinâmica semelhante, acrescenta Mathijsssen.

O projeto também reflete pesquisas em andamento no laboratório, pois o Park está trabalhando em superfícies ativas em microescala que usam campos magnéticos rotativos para limpar os biofilmes de dispositivos médicos.

Enquanto isso, Younger está investigando fluxos biológicos ultra-rápidos, usando a mesma configuração de imagem de alta velocidade para estudar como pequenos vórtices gerados por cílios pulmonares ajudam a limpar patógenos.

“Você pode começar pequeno, como o café”, diz Mathijssen. “E acabam descobrindo mecanismos que importam em escalas ambientais ou industriais”.