Mechanisch ingenieur Roberto Zenit bracht de zomer van 2019 door met het oplossen van een probleem dat nu wetenschappelijke afdelingen over de hele wereld plaagt:hoe kunnen praktische vloeistofdynamica-experimenten, meestal uitgevoerd in goed gevulde laboratoriumruimtes, van de campus worden verplaatst? Sinds de pandemie toesloeg, vooraanstaande onderzoekers zoals Zenit hebben creatieve manieren gevonden waarop leerlingen thuis flow kunnen ontdekken.

Het antwoord van Zenit, uiteindelijk, kwam neer op pannenkoeken. Hij doceert een laboratoriumles vloeistofdynamica aan de Brown University, en één experiment vereist dat studenten de viscositeit meten, dat wordt vaak gedaan door te meten hoe snel kleine bolletjes door dikke vloeistoffen vallen en op de bodem bezinken. Maar Zenit besefte dat hij het niet op die manier hoefde te doen. De keuken is rijk aan stroperige vloeistoffen, en alles wat hij moest doen was er een uitkiezen.

Waarom geen pannenkoekenbeslag?

Deze herfst, leerlingen in zijn klas, waar ze ook waren opgesloten, moest pannenkoekenbeslag mengen, giet het op een horizontaal oppervlak, en meet hoe snel de straal groter werd. "Door de snelheid te meten waarmee deze klodder in de tijd groeit, kun je de viscositeit terugrekenen, ' zei Zenit.

Zenit beschreef het experiment tijdens een minisymposium over keukenstromen op de 73e jaarlijkse bijeenkomst van de afdeling Fluid Dynamics van de American Physical Society. Naast zijn project viscositeit-door-pannenkoeken, het symposium omvatte nieuw onderzoek naar hoe vloeistoffen met elkaar vermengen en hoe ze vaste deeltjes opnemen (zoals in beslag of deeg). Onderzoekers van de Universiteit van Cambridge beschreven nieuwe bevindingen over hydraulische sprongen - die griezelig gladde cirkels van water, omgeven door turbulentie, die zich direct onder een lopende keukenkraan vormen.

Chemisch ingenieur Endre Mossige, een postdoctoraal onderzoeker aan de Stanford University, het symposium georganiseerd. "Keukenstroomexperimenten zijn zo gemakkelijk te doen, " zei hij. "Je hebt zo weinig apparatuur nodig om zulke nuttige informatie over vloeistofdynamica te extraheren."

De keuken is een natuurlijke plek om inspiratie op te doen, zei Jan Vermant, een ingenieur bij ETH Zürich. "In de keuken doen we veel met high-interface materialen, " zei hij. "Je moet vloeistoffen en lucht mengen en emulsies maken, en werk met bubbels. Dit is een fundamenteel probleem van voedselprojecten, en een die bekend is bij chef-koks over de hele wereld."

Vermant rapporteerde over het recente werk van zijn groep, die een bierprobleem aanpakte door er een vloeistofdynamicaprobleem van te maken. Hij bestudeert dunne films, en in recent onderzoek bestudeert hij de stabiliteit van schuim in bieren en brood. Biermakers, hij zei, controleer de voortgang van de fermentatie van nieuwe brouwsels door te kijken naar de stabiliteit van schuim. Maar, hij zei, het proces is erg "hand-golvend". Toen hij begon te kijken naar het brouwen van bier door de lens van vloeistofdynamica, vond hij een rijke onderzoeksomgeving.

Bierbellen bevatten een rijke verscheidenheid aan omgevingen:capillaire stromen, zeep films, en eiwitaggregatie. "In principe, ze hebben alle mechanismen die je als ingenieur kunt ontwerpen, " zei hij. Zijn groep vond, tot hun verbazing, dat hoewel de meeste bieren schuim bevatten, verschillende bieren hebben verschillende mechanismen achter die schuimen. Sommige schuimen werken als zeepfilms; anderen ontwikkelen robuuste eiwitnetwerken aan de oppervlakte.

"Ze belichten elk verschillende aspecten van het probleem mooi, " zei Vermant. In het daaropvolgende werk, zijn groep nam de grensvlakfenomenen in brood op dezelfde manier onder de loep - en vond op dezelfde manier een verscheidenheid aan gedragingen. "Ze hebben deze rijke diversiteit aan mechanismen om schuimstructuren te stabiliseren, " hij zei.

Vermant zei dat het werk niet alleen over bier en brood gaat; het kan ook dienen als inspiratie voor nieuwe materialen. "We kunnen die systemen nabootsen en misschien schuim maken met dezelfde principes als bierschuim, " hij zei, die nuttig kunnen zijn voor toepassingen variërend van spuitisolatie tot beschermende schuimen voor gewassen.

bij Bruin, Zenit zei dat niet elke student het experiment met succes afrondde. "Sommigen namen mijn advies te letterlijk, en deed het in een hete pan, " zei hij. Door de pannenkoek te koken veranderde de viscositeit - bevriezing van het beslag op zijn plaats - wat betekende dat de studenten geen bruikbare gegevens hadden. (Maar ze hebben wel ontbeten.)

Hij zei dat pannenkoeken tijdens de pandemie zijn ogen heeft geopend voor verschillende manieren om fundamentele ideeën zoals viscositeit te onderwijzen. "In de reguliere experimenten, je laat deze bol in een container vallen en meet hem, "zei hij. De vloeistof, hij zegt, wordt teruggebracht tot zijn meting. Met beslag, de student ervaart het concept. "Met de pannenkoeken, je voelt de viscositeit."