«Формирование структуры в латте удивительно, потому что оно развивается из хаотической, начальной заливки и смешивания жидкостей в очень организованное, отличное расположение слоев», сказал Нань Сюэ, ведущий автор статьи, описывающей результаты по своей природе Коммуникации и аспирант в лаборатории Говарда Стоуна, Дональда Р. Диксона ’69 и профессор Элизабет В. Диксон Механической и Космической Разработки в Принстоне.Затачивание методов для получения популярных слоев плавными жидкостями друг в друга могло уменьшить затраты и сложность в диапазоне заявлений.«С производственной точки зрения единственный проливной процесс намного более прост, чем традиционная последовательная укладка слоев в стратифицированном продукте», сказал Стоун. «В одном применении этого исследования мы исследуем физику позади создания целой слоистой структуры с одним шагом, вместо того, чтобы один за другим сложить слоев».Вдохновение для научно-исследовательской работы прибыло из незапрашиваемой, отправленной по электронной почте картины слоистого напитка кофе, посланного Стоуну.
С Сюэ, ищущим проект взять, поскольку, он начал свою работу выпускника, он первоначально исследовал понятие, готовя Латт в лаборатории, используя приобретенный в магазине кофе с молоком.После нескольких попыток Сюэ стало ясно, что пребывание в только определенных параметрах, таких как температуры и ставки потока, допускало характерный латте кафе.
Эти усилия намекнули на основную, измеримую физику, которая должна была быть вовлечена в ее жидкое формирование структуры.Чтобы более точно управлять их моделью иерархического представления латте, Сюэ и коллеги выбрали заместителя рецепта, который заставит баристу дрожать: окрашенная вода, заменяющая горячего кофе и соленой, более плотной воды для теплого молока.
Группа светодиодов и камеры, тогда освещенной и захваченной движение жидкостей в рамках смеси. Исследователи отобрали смесь с частицами трассирующего снаряда, которые рассеяли свет от зеленого лазерного луча, чтобы далее отследить внутреннюю динамику поддельного латте, техника, названная изображением частицы velocimetry. Наконец, числовыми моделированиями управляли, чтобы сравнить собранные данные с различными моделями системы развития смешивающихся жидкостей.Полный анализ показал, что основной механизм позади иерархического представления – явление, известное как двойная распространяющаяся конвекция.
Происходит, когда сложенные жидкости различных удельных весов, побужденных силой тяжести смешать их содержание, обменивают тепло посредством движения их учредительных материалов. В данной смеси, более плотном, более прохладном сливе жидкостей, в то время как более легкие, более горячие жидкости повышаются.
Это понижение и возрастающие остановки, однако, когда местная плотность в регионе в латте приближается к равновесию. В результате жидкость там должна течь горизонтально, а не вертикально, создавая отличные группы или слои.Посредством их экспериментов исследователи исследовали, как скорость жидкой инъекции теплого молока имеет значение также.
Если льется слишком медленно, более плотная жидкость смешается слишком равномерно, когда она течет в менее – плотная жидкость. Более быстрый уровень потока вызывает первого к удару через последнего, и вызовите быстрые движения, которые достигают высшей точки в желаемом иерархическом представлении, когда равновесие плотности установлено.Дополнительная работа должна быть сделана, чтобы характеризовать эффект иерархического представления, продемонстрированный в Латте, чтобы расширить контроль его к другим выровненным жидкостям и полутвердым частицам. Но предварительные результаты от Сюэ и его коллег уже показали, как деятельность в общем напитке могла привести к необычному пониманию.
«Этот результат показывает красоту гидроаэромеханики и очень значительный», сказал Детлеф Лохзе, преподаватель гидроаэромеханики в Университете Твенте в Нидерландах, который не был связан с исследованием. «Я думаю, что у этого будут влияние на различные промышленные потоки и смешивание процедур в так называемой технологии процесса, в которой смешивание жидкостей с различными удельными весами инъекцией одной в другой вездесущее».Лохс далее указал, как исследование Принстона могло помочь в лучшем тепле объяснения – и зависимые от солености потоки воды в обширных океанах Земли, явление, которое имеет ключевые последствия в климатологии и экологии. «Самое потрясающее открытие может состоять в том, что есть прекрасная аналогия между иерархическим представлением в латте кафе», сказали Лохс, «и известное и чрезвычайно соответствующее иерархическое представление воды с различными температурами и солеными концентрациями в океане».Дополнительные авторы на бумаге включают Sepideh Khodaparast, Лайлай Чжу, Джанин Нунес и Хюнгсу Кима, всю часть лаборатории Стоуна в Принстоне. Чжу также аффилирован с Центром Потока Linne и шведским Центром электронного Научного исследования в Королевском технологическом институте KTH в Стокгольме.
Ким также аффилирован с Отделом Машиностроения в Корейском ведущем научно-техническом институте в Deajeon, Южная Корея. Работа была поддержана Национальным научным фондом, швейцарским Национальным научным фондом и шведским Научным советом.