Размягчить, как спагетти
По мере того, как твердые спагетти постепенно становятся гибкими в горячей воде, происходит ряд физических процессов. Их можно смоделировать на удивление хорошо.
О популярности спагетти говорит тот факт, что эксперты десятилетиями научно изучают поведение тонких макаронных палочек. Несколько лет назад физик Ричард Фейнман (1918-1988) задал вопрос, почему спагетти с трудом можно разломить пополам. В большинстве случаев фрагментов не два, а три, а иногда и больше. Однако с кулинарной точки зрения сырые спагетти - не самый интересный продукт. Но в то же время исследования также коснулись вареных макарон. В 2020 году два ученых-инженера из Калифорнийского университета в Беркли представили модель, описывающую механику перехода, при котором палочки спагетти переходят из твердого состояния в гибкое и обратно.
Они уловили знакомую ситуацию: во время приготовления сухие спагетти кладут в кастрюлю с горячей водой. Чтобы не пришлось их ломать, их часто сначала прислоняют к стенке горшка. Через короткое время они деформируются и глубже погружаются в воду. Что происходит в процессе производства лапши?
За многими повседневными вещами скрывается удивительная физика. Hans-Joachim Schlichting много лет отслеживает эти явления и объясняет их читателям "Spektrum der Wissenschaft" в своей колонке. Шлихтинг - профессор дидактики физики, до выхода на пенсию работал в Мюнстерском университете.
Спагетти, как и большинство видов пасты, готовят из манной крупы твердых сортов пшеницы. Манная крупа содержит крахмал и белки. Последний можно представить себе как микроскопически тонкие переплетенные нити, в то время как крахмал подобен крошечным зернам. В манку добавляют воду и энергично вымешивают полученное тесто. Первоначально плотно скомканные белковые нити разворачиваются и спутываются с крахмалом, образуя связное тесто. Связь настолько прочная, что в дальнейшем сваренные спагетти не распадаются. При выдавливании теста через насадку отдельные пряди приобретают круглое сечение. Тщательная сушка возвращает знакомую форму и твердость.
От мягкого теста к твердой лапше и обратно
Приготовление в кипящей воде полностью меняет производственный процесс. При переходе из твердого состояния в эластичное жидкость постепенно проникает в мелкопористую водолюбивую (гидрофильную) сухую тестовую массу. Процесс происходит сам по себе, поскольку для образования границы раздела между веществом лапши и водой требуется меньше энергии, чем между лапшой и воздухом. Однако в холодной воде внутреннее смачивание заняло бы очень много времени. Средняя скорость движения его микроскопических компонентов увеличивается с повышением температуры вещества; поэтому фронт молекул горячей воды продвигается гораздо быстрее.
Вода сначала радиально проникает в твердые спагетти. Резко очерченная граница перемещается в сторону сужающегося сухого ядра, а влажное внешнее кольцо растет. Пропитанная зона набухает, обнажая связь между прочностью и водой. Замоченные палочки не только толще, но и немного длиннее. Кроме того, крахмал образует гель во внешних областях кольца. Эта желатинизация также вызывает набухание лапши и проявляется в более или менее выраженной липкости.
Всегда есть некоторая усадка
По моим собственным измерениям, масса изначально твердых спагетти увеличивается в 2,4 раза, если они хорошо приготовлены и высушены. Небольшое количество компонента кукурузного крахмала (амилозы) вымывается. Это также видно по помутнению воды для приготовления пищи.
Вода в мягких спагетти испаряется в сухом воздухе. Направление транспорта жидкости через мелкие поры, так сказать, меняется на противоположное, пока, наконец, не останется твердая лапша. Помимо небольшой потери вкуса и вещества в воде для приготовления пищи, сушка почти обратима.
"То, что хочет стать крючком, со временем гнется" (пословица)
Чтобы лучше понять и смоделировать механические изменения во время замачивания, два исследователя из Беркли отследили изменения в одной лапше. Они помещали его в горячую воду так, чтобы один конец касался дна, а другой - стенки сосуда.
По мере постепенного уменьшения содержания твердого вещества жесткость на изгиб также снижается. В какой-то момент компенсировать изгибающие моменты лапши, вызванные силой тяжести, становится уже недостаточно - она начинает провисать. По мере того, как он все больше и больше прижимается к стене, верхняя точка контакта соскальзывает вниз. В то же время он приближается к земле в нижней части.
Непосредственно перед тем, как тесто полностью размокнет, оставшаяся жесткость на изгиб больше не может удерживать верхний конец вертикально. Малейшее возмущение заставляет лапшу опрокидываться под действием собственного веса до тех пор, пока кончик не коснется земли. Конечный радиус кривизны является мерой остаточной жесткости на изгиб.
Ученые создали чисто механическую модель без трения, и она очень хорошо воспроизводит поведение, несмотря на упрощения. В частности, этим объясняется способность макарон в конечном итоге принимать гораздо более сложную как геометрически, так и по консистенции конфигурацию, чем она была в исходном состоянии: как известно, спагетти можно хорошо навернуть на вилку только в том случае, если она свежеприготовленный. Однако вам решать, будут ли они вкуснее, если вы посмотрите на приготовление с физической точки зрения.