Naukowcy z MIT zaprojektowali „Oreometr”, który można wydrukować w 3D, aby poddać kremowym nadzieniom Oreo szereg testów, aby zrozumieć, co się dzieje, gdy dwa wafle zostaną skręcone.
Inżynierowie mechanicy poddali kremowe nadzienie Oreo serii testów, aby zrozumieć, co się dzieje, gdy dwa wafle zostaną skręcone.
Kiedy otwierasz ciasteczko Oreo, aby dostać się do kremowego środka, naśladujesz podstawowy test reologiczny. (Reologia jest badaniem przepływu materiału nienewtonowskiego po skręceniu, sprasowaniu lub naprężeniu w inny sposób). Inżynierowie MIT poddali teraz słynne ciasteczko kanapkowe rygorystycznym testom materiałów, aby odpowiedzieć na irytujące pytanie:dlaczego krem z ciastka się przykleja do tylko jednego wafla po skręceniu?
„Istnieje fascynujący problem polegający na równomiernym rozprowadzeniu kremu między dwoma waflami, co okazuje się naprawdę trudne”, mówi Max Fan, student na Wydziale Inżynierii Mechanicznej MIT.
Dlaczego krem z ciasteczka przykleja się do tylko jednego wafelka po skręceniu? Inżynierowie MIT szukają odpowiedzi.
W poszukiwaniu odpowiedzi zespół naukowców poddał ciasteczka normalnym eksperymentom reologicznym w laboratorium i odkrył, że niezależnie od smaku lub ilości nadzienia, krem w środku Oreo prawie zawsze przylega do jednego wafla po skręceniu. Tylko w starszych pudełkach ciastek krem czasami dzieli się bardziej równomiernie między dwa wafle.
Naukowcy zmierzyli również moment obrotowy wymagany do skręcenia Oreo i stwierdzili, że jest podobny do momentu obrotowego wymaganego do przekręcenia klamki i około 1/10 tego, co jest potrzebne do skręcenia zakrętki. Naprężenie związane z uszkodzeniem kremu – tj. Siła na obszar wymagana, aby krem \u200b\u200bpłynął lub odkształcił się — jest dwa razy większy niż w przypadku serka śmietankowego i masła orzechowego i mniej więcej tej samej wielkości, co w przypadku sera mozzarella. Sądząc po reakcji kremu na stres, zespół klasyfikuje jego konsystencję jako „papkowatą”, a nie kruchą, twardą lub gumowatą.
Kiedy otwierasz ciasteczko Oreo, aby dostać się do kremowego środka, naśladujesz standardowy test reologiczny — badanie przepływu materiału nienewtonowskiego po skręceniu, sprasowaniu lub w inny sposób naprężeniu.
Dlaczego więc kremowy blask ciasteczek jest po jednej stronie, zamiast rozdzielać się równomiernie między obiema stronami? Winny może być proces produkcyjny.
„Filmy z procesu produkcyjnego pokazują, że odkładają pierwszy wafel, a następnie nakładają kulkę kremu na ten wafel, zanim nałoży się drugi wafel na wierzch”, mówi Crystal Owens, doktorantka inżynierii mechanicznej MIT, która bada właściwości złożonych płynów. . „Najwyraźniej to niewielkie opóźnienie może sprawić, że krem będzie lepiej przylegał do pierwszego wafelka”.
Badanie zespołu nie jest po prostu słodkim odejściem od badań nad chlebem i masłem; jest to również okazja, aby nauka reologii była dostępna dla innych. W tym celu naukowcy zaprojektowali drukowalny w 3D „Oreometr” – proste urządzenie, które mocno chwyta ciastko Oreo i wykorzystuje grosze i gumki do kontrolowania siły skręcania, która stopniowo otwiera ciasteczko. Instrukcje dotyczące urządzenia stołowego można znaleźć tutaj.
Nowe badanie „O oreologii, pękanie i przepływ ‘ulubionego ciasteczka mleka’” pojawia się dzisiaj w Kitchen Flows , specjalne wydanie czasopisma Physics of Fluids . Został pomyślany na początku pandemii Covid-19, kiedy laboratoria wielu naukowców były zamknięte lub trudno dostępne. Oprócz Owensa i Fana współautorami są profesorowie inżynierii mechanicznej Gareth McKinley i A. John Hart.
Połączenie konfekcjonowania
Standardowy test w reologii umieszcza płyn, zawiesinę lub inny płynny materiał na podstawie przyrządu zwanego reometrem. Równoległą płytę nad podstawą można opuścić na badany materiał. Płyta jest następnie skręcana, gdy czujniki śledzą przyłożony obrót i moment obrotowy.
Owens, który regularnie używa reometru laboratoryjnego do testowania materiałów płynnych, takich jak atramenty do druku 3D, nie mógł nie zauważyć podobieństwa do ciastek kanapkowych. Jak pisze w nowym opracowaniu:
„Z naukowego punktu widzenia ciastka kanapkowe przedstawiają paradygmatyczny model reometrii równoległych płytek, w którym próbka płynu, krem, jest utrzymywana między dwiema równoległymi płytkami, waflami. Kiedy wafle są obracane w przeciwnych kierunkach, krem odkształca się, płynie i ostatecznie pęka, co prowadzi do rozdzielenia ciastka na dwie części”.
Chociaż krem Oreo może nie mieć właściwości płynnych, jest uważany za „płyn stresu plastycznego” – miękkie ciało stałe, gdy nie jest zakłócone, które może zacząć płynąć pod wystarczającym stresem, tak jak robią to pasta do zębów, lukier, niektóre kosmetyki i beton.
Ciekawy, czy inni badali związek między Oreos i reologią, Owens znalazł wzmiankę o badaniu z 2016 roku na Uniwersytecie Princeton, w którym fizycy po raz pierwszy donieśli, że rzeczywiście, podczas ręcznego skręcania Oreos, krem prawie zawsze wypadał na jednym wafelku.
„Chcieliśmy to wykorzystać, aby zobaczyć, co faktycznie powoduje ten efekt i czy moglibyśmy go kontrolować, gdybyśmy ostrożnie zamontowali Oreos na naszym reometrze” – mówi.
Zwrot z plikami cookie
W eksperymencie, który powtórzyli dla wielu ciastek o różnych nadzieniach i smakach, naukowcy przykleili Oreo do górnej i dolnej płyty reometru i zastosowali różne stopnie momentu obrotowego i obrotu kątowego, odnotowując wartości, które z powodzeniem skręciły każde ciasteczko. . Umieścili pomiary w równaniach, aby obliczyć lepkosprężystość lub płynność kremu. W każdym eksperymencie zauważyli również „pośmiertną dystrybucję” kremu lub miejsce, w którym krem trafił po skręceniu.
W sumie zespół przejrzał około 20 pudełek Oreos, w tym poziomy nadzienia regularne, Double Stuf i Mega Stuf oraz zwykłe smaki ciemnej czekolady i „złotego” wafla. Co zaskakujące, odkryli, że bez względu na ilość kremowego nadzienia lub smaku, krem prawie zawsze jest oddzielony na jeden wafel.
„Spodziewaliśmy się efektu opartego na rozmiarze” – mówi Owens. „Gdyby między warstwami było więcej kremu, powinien być łatwiejszy do odkształcenia. Ale tak nie jest”.
Co ciekawe, kiedy zmapowali wynik każdego ciastka na jego pierwotną pozycję w pudełku, zauważyli, że krem ma tendencję do przyklejania się do wafelka skierowanego do wewnątrz:ciasteczka po lewej stronie pudełka skręcone tak, że krem wylądował na prawym wafelku, natomiast ciasteczka z prawej strony oddzielone kremem najczęściej na lewym wafelku. Podejrzewają, że dystrybucja pudełek może być wynikiem wpływu środowiska poprodukcyjnego, takiego jak ogrzewanie lub przepychanie, które może powodować, że krem odchodzi od zewnętrznych wafli, nawet przed skręceniem.
Wiedza uzyskana dzięki właściwościom kremu Oreo może potencjalnie zostać zastosowana do projektowania innych złożonych materiałów płynnych.
„Moje płyny do drukowania 3D są tej samej klasy materiałów, co krem Oreo”, mówi. „Tak więc to nowe zrozumienie może pomóc mi lepiej projektować atrament, gdy próbuję drukować elastyczną elektronikę z zawiesiny nanorurek węglowych, ponieważ deformują się one niemal dokładnie w ten sam sposób”.
Jeśli chodzi o samo ciasteczko, sugeruje, że gdyby wnętrze wafli Oreo było bardziej teksturowane, krem mogłby lepiej przylegać do obu stron i rozdzielać się bardziej równomiernie po skręceniu.
„Podobnie jak teraz, stwierdziliśmy, że nie ma sztuczki polegającej na skręcaniu, która spowodowałaby równomierne rozdzielenie kremu” – podsumowuje Owens.
Odniesienie:„O Oreologii, pękanie i przepływ „ulubionego ciasteczka mleka®”” Crystal E. Owens, Max R. Fan, A. John Hart i Gareth H. McKinley, 19 kwietnia 2022, Fizyka płynów .
DOI:10.1063/5.0085362
Badania te były częściowo wspierane przez program MIT UROP oraz przez National Defense Science and Engineering Graduate Fellowship Program.
