Физики улучшили способ заваривания кофе с помощью лазеров и камеры
NewsMakerЭксперимент показал, что правильная высота и плавность потока воды экономят зерна без потерь во вкусе.
Стоимость зерен арабики — основного ингредиента для большинства сортов кофе — в последние годы резко выросла. Причина — четыре сезона подряд с неблагоприятной погодой. Климатические изменения только усилили проблему: растение Coffea arabica требует очень тонкого температурного баланса, и этот баланс сейчас под угрозой. На этом фоне группа физиков из Университета Пенсильвании задалась неожиданным вопросом: а можно ли заварить отличный кофе, используя меньше зерен?
Ассистент-профессор Арнольд Матийсен объясняет, что в науке накоплено множество знаний по отдельности о жидкостях и твердых частицах, но их команда впервые попробовала объединить эти области ради одной простой цели — сварить хороший кофе, экономя сырьё. Исследование, опубликованное в журнале Physics of Fluids, предлагает научный подход к тому, как повысить эффективность экстракции — то есть извлечения вкуса из молотого кофе — при меньшем объеме самих кофейных зерен.
Суть эксперимента проста, но элегантна: ученые использовали знания о динамике жидкости, чтобы изменить сам процесс заваривания. Вместо обычного кофейного фильтра они взяли стеклянный конус и заполнили его прозрачными частицами геля, чтобы видеть, как вода проходит сквозь слой «кофе». Лазер и камера с высокой скоростью съемки позволили увидеть, как струя воды вызывает мини-оползни частиц — именно такие микроскопические движения усиливают взаимодействие воды и частиц, повышая извлечение вкусовых компонентов.
Оказалось, что важную роль играет то, с какой высоты лить воду и какой у струи характер — плавный или турбулентный. Плавный ламинарный поток, который легко получить, если использовать чайник с длинным носиком (так называемый gooseneck), позволяет воде глубже проникать в кофейную гущу. Слишком высокая струя, наоборот, распадается на капли и захватывает воздух, что мешает экстракции.
Ученые также протестировали гипотезу на настоящем молотом кофе, измеряя содержание растворимых веществ в финальном напитке. Они подтвердили, что можно настраивать «силу» кофе, меняя скорость и высоту заливки. Более мощная струя дает крепкий напиток, но если поток слишком толстый, это работает только при большой высоте. А вот при тонкой струе экстракция остается стабильной при разных высотах — скорее всего, из-за того, что процесс идет медленнее и позволяет воде дольше контактировать с гущей.
Для большей точности команда фиксировала температуру, вес, степень помола и время заваривания, а потом оценивала вкус каждого образца. В ход шли прецизионные весы и детальные лабораторные заметки — всё ради чашки, в которой физика помогает сэкономить кофе без потерь во вкусе.
Но история этим не заканчивается. По словам Матийсена, цель была не только в кофе. Такой подход позволяет лучше понять и другие природные процессы: например, как вода вымывает камни под водопадами или как работают системы фильтрации и очистки сточных вод. Кроме того, команда исследует другие области: как вращающиеся магнитные поля помогают очищать медицинские устройства от бактерий или как микроскопические вихри в легких выводят патогены из организма.
«Начать можно с кофе, — говорит Матийсен, — а закончить — пониманием процессов, которые важны в экологии и промышленности».
Стоимость зерен арабики — основного ингредиента для большинства сортов кофе — в последние годы резко выросла. Причина — четыре сезона подряд с неблагоприятной погодой. Климатические изменения только усилили проблему: растение Coffea arabica требует очень тонкого температурного баланса, и этот баланс сейчас под угрозой. На этом фоне группа физиков из Университета Пенсильвании задалась неожиданным вопросом: а можно ли заварить отличный кофе, используя меньше зерен?
Ассистент-профессор Арнольд Матийсен объясняет, что в науке накоплено множество знаний по отдельности о жидкостях и твердых частицах, но их команда впервые попробовала объединить эти области ради одной простой цели — сварить хороший кофе, экономя сырьё. Исследование, опубликованное в журнале Physics of Fluids, предлагает научный подход к тому, как повысить эффективность экстракции — то есть извлечения вкуса из молотого кофе — при меньшем объеме самих кофейных зерен.
Суть эксперимента проста, но элегантна: ученые использовали знания о динамике жидкости, чтобы изменить сам процесс заваривания. Вместо обычного кофейного фильтра они взяли стеклянный конус и заполнили его прозрачными частицами геля, чтобы видеть, как вода проходит сквозь слой «кофе». Лазер и камера с высокой скоростью съемки позволили увидеть, как струя воды вызывает мини-оползни частиц — именно такие микроскопические движения усиливают взаимодействие воды и частиц, повышая извлечение вкусовых компонентов.
Оказалось, что важную роль играет то, с какой высоты лить воду и какой у струи характер — плавный или турбулентный. Плавный ламинарный поток, который легко получить, если использовать чайник с длинным носиком (так называемый gooseneck), позволяет воде глубже проникать в кофейную гущу. Слишком высокая струя, наоборот, распадается на капли и захватывает воздух, что мешает экстракции.
Ученые также протестировали гипотезу на настоящем молотом кофе, измеряя содержание растворимых веществ в финальном напитке. Они подтвердили, что можно настраивать «силу» кофе, меняя скорость и высоту заливки. Более мощная струя дает крепкий напиток, но если поток слишком толстый, это работает только при большой высоте. А вот при тонкой струе экстракция остается стабильной при разных высотах — скорее всего, из-за того, что процесс идет медленнее и позволяет воде дольше контактировать с гущей.
Для большей точности команда фиксировала температуру, вес, степень помола и время заваривания, а потом оценивала вкус каждого образца. В ход шли прецизионные весы и детальные лабораторные заметки — всё ради чашки, в которой физика помогает сэкономить кофе без потерь во вкусе.
Но история этим не заканчивается. По словам Матийсена, цель была не только в кофе. Такой подход позволяет лучше понять и другие природные процессы: например, как вода вымывает камни под водопадами или как работают системы фильтрации и очистки сточных вод. Кроме того, команда исследует другие области: как вращающиеся магнитные поля помогают очищать медицинские устройства от бактерий или как микроскопические вихри в легких выводят патогены из организма.
«Начать можно с кофе, — говорит Матийсен, — а закончить — пониманием процессов, которые важны в экологии и промышленности».