Когда вы открываете печенье Oreo, чтобы добраться до кремообразного центра, вы имитируете стандартный тест в реологии - изучение того, как неньютоновский материал течет при скручивании, сжатии или другом напряжении. Инженеры Массачусетского технологического института теперь подвергли печенье-сэндвич строгим испытаниям материалов, чтобы ответить на мучительный вопрос: почему крем из печенья прилипает только к одной пластине, когда ее скручивают?
«Существует увлекательная проблема, заключающаяся в том, чтобы попытаться равномерно распределить крем между двумя пластинами, что оказывается очень сложным», - говорит Макс Фан, студент факультета машиностроения Массачусетского технологического института.
В поисках ответа команда подвергла печенье стандартным тестам на реологию в лаборатории и обнаружила, что независимо от вкуса или количества начинки крем в центре Oreo почти всегда прилипает к одной вафле при скручивании. открытым. Только в старых коробках печенья крем иногда более равномерно распределяется между обеими вафлями.
Исследователи также измерили крутящий момент, необходимый для открывания Oreo, и обнаружили, что он аналогичен крутящему моменту, необходимому для поворота дверной ручки, и составляет примерно 1/10 от того, что необходимо для открывания крышки от бутылки. Стресс разрушения сливок, то есть сила, приходящаяся на площадь, необходимая для того, чтобы сливки текли или деформировались, вдвое больше, чем у сливочного сыра и арахисового масла, и примерно такая же величина, как у сыра моцарелла. Судя по реакции крема на стресс, команда классифицирует его текстуру как «мягкую», а не ломкую, жесткую или эластичную.
Итак, почему сливки печенья слипаются с одной стороны, а не распределяются поровну между обеими? Возможно, виноват производственный процесс.
«Видео производственного процесса показывает, что они кладут первую пластину вниз, затем выливают шарик крема на эту пластину, прежде чем положить вторую пластину сверху», - говорит Кристал Оуэнс, кандидат технических наук в области машиностроения Массачусетского технологического института, который изучает свойства сложных жидкостей. «Очевидно, что эта небольшая задержка может помочь крему лучше прилипнуть к первой пластине».
Исследование команды - это не просто приятное отвлечение от обычных исследований; это также возможность сделать реологию доступной для других. С этой целью исследователи разработали «Ореометр», который можно распечатать на 3D-принтере - простое устройство, которое надежно захватывает печенье Oreo и использует монетки и резиновые ленты для контроля силы скручивания, которая постепенно раскрывает печенье. Инструкции для настольного устройства можно найти здесь:
Новое исследование «О ореологии, разрушении и течении «любимого печенья молока»» опубликовано сегодня в Kitchen Flows, специальном выпуске журнала Physics of Fluids. Это было задумано в начале пандемии Covid-19, когда многие лаборатории ученых были закрыты или труднодоступны. Помимо Оуэнса и Фана, соавторами являются профессора машиностроения Гарет МакКинли и А. Джон Харт.
Кондитерская связь
Стандартный тест в реологии помещает жидкость, суспензию или другой текучий материал на основание прибора, известного как реометр. Параллельную пластину над основанием можно опустить на испытуемый материал. Затем пластина скручивается, поскольку датчики отслеживают приложенное вращение и крутящий момент.
Оуэнс, который регулярно использует лабораторный реометр для тестирования жидких материалов, таких как чернила для 3D-печати, не мог не отметить сходство с печеньем-сэндвичем. Как она пишет в новом исследовании:
"С научной точки зрения печенье-сэндвич представляет собой парадигматическую модель реометрии с параллельными пластинами, в которой образец жидкости, крем, удерживается между двумя параллельными пластинами, вафлями. Когда вафли вращаются в противоположных направлениях, крем деформируется, течет., и в конечном итоге ломается, что приводит к разделению печенья на две части."
Хотя крем Oreo может показаться не обладающим жидкостными свойствами, он считается «жидкостью при стрессе текучести» - мягким твердым веществом, когда его не трогают, которое может начать течь при достаточном напряжении, как зубная паста, глазурь, некоторые косметические средства., и конкретные дела.
Любопытно узнать, изучали ли другие связь между Oreos и реологией, Оуэнс нашел упоминание об исследовании Принстонского университета 2016 года, в котором физики впервые сообщили, что действительно, когда скручивали Oreos вручную, сливки почти всегда отрывались на одном пластина.
«Мы хотели развить это, чтобы увидеть, что на самом деле вызывает этот эффект, и сможем ли мы контролировать его, если аккуратно установим Oreos на наш реометр», - говорит она.
Куки-твист
В ходе эксперимента, который они повторили с несколькими печеньями с различными начинками и вкусами, исследователи приклеили печенье Oreo к верхней и нижней пластинам реометра и применили различные степени крутящего момента и углового вращения, отмечая значения, которые успешно скрутил каждое печенье. Они включили измерения в уравнения для расчета вязкоупругости или текучести крема. Для каждого эксперимента они также отмечали «посмертное распределение» крема или то, куда сливки оказывались после того, как их скрутили.
В целом команда перепробовала около 20 коробок Oreos, включая обычные, Double Stuf и Mega Stuf с начинкой, а также со вкусом темного шоколада и «золотых» вафель. Удивительно, но они обнаружили, что независимо от количества кремовой начинки или вкуса, крем почти всегда разделялся на одну вафлю.
«Мы ожидали эффекта, основанного на размере», - говорит Оуэнс. «Если бы между слоями было больше крема, его было бы легче деформировать. Но на самом деле это не так».
Любопытно, что когда они сопоставили результат каждого печенья с его исходным положением в коробке, они заметили, что крем имеет тенденцию прилипать к пластине, обращенной внутрь: печенье с левой стороны коробки скручивалось так, что крем заканчивался на правой вафле, тогда как печенье с правой стороны отделено кремом в основном на левой вафле. Они подозревают, что такое распределение в коробках может быть результатом воздействия окружающей среды после производства, такого как нагрев или толчки, которые могут привести к тому, что крем слегка отслоится от внешних вафель даже до скручивания..
Понимание свойств крема Oreo потенциально может быть применено к разработке других сложных жидких материалов.
«Мои жидкости для 3D-печати относятся к тому же классу материалов, что и крем Oreo», - говорит она. «Итак, это новое понимание может помочь мне улучшить дизайн чернил, когда я пытаюсь печатать гибкую электронику из смеси углеродных нанотрубок, потому что они деформируются почти одинаково."
Что касается самого печенья, она предполагает, что если бы внутренняя часть вафель Oreo была более текстурированной, крем мог бы лучше прилипать к обеим сторонам и более равномерно расщепляться при скручивании.
"В том виде, в каком они есть сейчас, мы обнаружили, что нет такого способа скручивания, который разделил бы сливки поровну", - заключает Оуэнс.