MIT-forskare har designat en 3D-utskrivbar "Oreometer" för att sätta en Oreos krämfyllning genom ett batteri av tester för att förstå vad som händer när två wafers vrids isär.
Mekaniska ingenjörer testar en Oreo-krämfyllning för att förstå vad som händer när två wafers vrids isär.
När du vrider en Oreo-kaka öppen för att komma till det krämiga centrumet, härmar du ett grundläggande reologiskt test. (Reologi är studiet av hur ett icke-Newtonskt material flyter när det vrids, pressas eller på annat sätt spänns.) MIT-ingenjörer har nu utsatt den berömda smörgåskakan för rigorösa materialtestningar för att svara på en irriterande fråga:varför fastnar kakans grädde till endast en wafer när den vrids isär?
"Det finns det fascinerande problemet med att försöka få krämen att fördela sig jämnt mellan de två skivorna, vilket visar sig vara riktigt svårt", säger Max Fan, en doktorand vid MIT:s avdelning för maskinteknik.
Varför fastnar kakkrämen på bara en rån när den vrids isär? MIT-ingenjörer söker efter svaret.
På jakt efter ett svar, exponerade forskarteamet kakor för normala reologiexperiment i labbet och upptäckte att, oavsett smak eller mängd fyllning, fäster grädden i mitten av en Oreo nästan alltid på en wafer när den vrids upp. Bara i äldre lådor med kakor delar sig krämen ibland mer lika mellan de två rån.
Forskarna mätte också vridmomentet som krävdes för att vrida upp en Oreo och fann att det liknade vridmomentet som krävs för att vrida ett dörrhandtag och ungefär 1/10 av vad som behövs för att vrida upp en flaskkork. Krämens brottstress – det vill säga kraften per område som krävs för att få grädden att flyta eller deformeras – är dubbelt så stor som för färskost och jordnötssmör, och ungefär lika stor som mozzarellaost. Att döma av krämens reaktion på stress klassificerar teamet dess konsistens som "mosig" snarare än spröd, seg eller gummiaktig.
När du vrider upp en Oreo-kaka för att komma till det krämiga centrumet, härmar du ett standardtest i reologi – studien av hur ett icke-Newtonskt material flyter när det vrids, pressas eller på annat sätt belastas.
Så varför skymtar kakans grädde åt ena sidan istället för att delas jämnt mellan båda? Tillverkningsprocessen kan vara skyldig.
"Videor av tillverkningsprocessen visar att de lägger ner den första wafern och sedan fördelar en boll med grädde på den wafern innan de lägger den andra wafern ovanpå", säger Crystal Owens, en MIT-kandidat i maskinteknik som studerar egenskaperna hos komplexa vätskor . "Tydligen kan den lilla tidsfördröjningen göra att krämen fäster bättre på den första rån."
Teamets studie är inte bara en söt avledning från bröd-och-smörforskning; det är också en möjlighet att göra vetenskapen om reologi tillgänglig för andra. För det ändamålet har forskarna designat en 3D-utskrivbar "Oreometer" - en enkel enhet som stadigt tar tag i en Oreo-kaka och använder slantar och gummiband för att kontrollera vridkraften som gradvis vrider upp kakan. Instruktioner för bordsenheten finns här.
Den nya studien, "On Oreology, the fraktur and flow of milk's favorite cookie", visas idag i Kitchen Flows , ett specialnummer av tidskriften Physics of Fluids . Det kom till tidigt under covid-19-pandemin, när många forskares labb var stängda eller svåra att komma åt. Förutom Owens och Fan är medförfattare maskinteknikprofessorerna Gareth McKinley och A. John Hart.
Konfektanslutning
Ett standardtest i reologi placerar en vätska, slurry eller annat flytbart material på basen av ett instrument som kallas en reometer. En parallell platta ovanför basen kan sänkas ner på testmaterialet. Plåten vrids sedan när sensorer spårar den applicerade rotationen och vridmomentet.
Owens, som regelbundet använder en laboratoriereometer för att testa flytande material som 3D-utskrivbara bläck, kunde inte låta bli att notera en likhet med sandwichkakor. Som hon skriver i den nya studien:
"Vetenskapligt sett presenterar smörgåskakor en paradigmatisk modell av parallell plattreometri där ett vätskeprov, grädden, hålls mellan två parallella plattor, wafers. När skivorna roteras i motsatt riktning deformeras krämen, flyter och spricker i slutändan, vilket leder till att kakan delas i två delar."
Även om Oreo-krämen kanske inte verkar ha vätskeliknande egenskaper, anses den vara en "flytspänningsvätska" - en mjuk fast substans när den är ostörd som kan börja flyta under tillräckligt stor påfrestning, som tandkräm, frosting, vissa kosmetika och betong gör.
Nyfiken på om andra hade utforskat sambandet mellan Oreos och reologi, fann Owens omnämnande av en 2016 Princeton University-studie där fysiker först rapporterade att faktiskt, när man vrider Oreos för hand, så lossnade krämen nästan alltid på en wafer.
"Vi ville bygga vidare på detta för att se vad som faktiskt orsakar den här effekten och om vi kunde kontrollera den om vi monterade Oreos försiktigt på vår reometer", säger hon.
Cookie twist
I ett experiment som de skulle upprepa för flera kakor av olika fyllningar och smaker, limmade forskarna en Oreo på både den övre och nedre plattan på en reometer och tillämpade olika grader av vridmoment och vinkelrotation, och noterade värdena som framgångsrikt vred isär varje kaka . De kopplade in mätningarna i ekvationer för att beräkna krämens viskoelasticitet eller flytbarhet. För varje experiment noterade de också krämens "post mortem-fördelning" eller var krämen hamnade efter att ha vridits upp.
Sammanlagt gick teamet igenom cirka 20 lådor med Oreos, inklusive vanliga, Double Stuf och Mega Stuf nivåer av fyllning, och vanlig mörk choklad och "gyllene" rån smaker. Överraskande nog fann de att oavsett mängden gräddfyllning eller smak så separerade grädden nästan alltid på en rån.
"Vi hade förväntat oss en effekt baserad på storlek", säger Owens. ”Om det var mer kräm mellan lagren borde det vara lättare att deformera. Men så är faktiskt inte fallet.”
Märkligt nog, när de kartlade varje kaks resultat till dess ursprungliga position i lådan, märkte de att krämen tenderade att fastna på den inåtvända rån:Kakorna på vänstra sidan av asken vred sig så att krämen hamnade på den högra rån, medan kakor på höger sida separerade med grädde mestadels på vänster rån. De misstänker att denna lådfördelning kan vara ett resultat av miljöeffekter efter tillverkningen, såsom uppvärmning eller knuffing som kan få grädden att lossna något från de yttre skivorna, även innan den vrids.
Den förståelse som erhållits från egenskaperna hos Oreo-kräm kan potentiellt tillämpas på utformningen av andra komplexa flytande material.
"Mina 3D-utskriftsvätskor är i samma materialklass som Oreo-kräm", säger hon. "Så, denna nya förståelse kan hjälpa mig att designa bläck bättre när jag försöker skriva ut flexibel elektronik från en slurry av kolnanorör, eftersom de deformeras på nästan exakt samma sätt."
När det gäller själva kakan, föreslår hon att om insidan av Oreo-wafers var mer texturerad, kan krämen greppa bättre på båda sidor och delas jämnare när den vrids.
"Som de är nu fann vi att det inte finns något knep att vrida som skulle dela krämen jämnt", avslutar Owens.
Referens:"On Oreology, the fraktur and flow of "milk's favorite cookie®"" av Crystal E. Owens, Max R. Fan, A. John Hart och Gareth H. McKinley, 19 april 2022, Physics of Fluids .
DOI:10.1063/5.0085362
Denna forskning stöddes delvis av MIT UROP-programmet och av National Defense Science and Engineering Graduate Fellowship Program.
