Para cualquiera que se haya maravillado con las capas de colores vivos en un café con leche, No estás solo. Investigadores de Princeton, igualmente intrigado, ahora han revelado cómo se desarrolla esta estructura escalonada cuando el espresso se vierte en leche caliente.

"La formación de la estructura en un café con leche es sorprendente porque evoluciona desde lo caótico, vertido inicial y mezcla de fluidos en un muy organizado, Disposición distinta de capas, "dijo Nan Xue, autor principal de un artículo que describe los hallazgos en Comunicaciones de la naturaleza , y estudiante de posgrado en el laboratorio de Howard Stone, el Profesor Donald R. Dixon '69 y Elizabeth W. Dixon de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial en Princeton.

Las técnicas de bruñido para producir capas buscadas haciendo fluir líquidos entre sí podrían reducir los costos y la complejidad en una variedad de aplicaciones.

"Desde una perspectiva de fabricación, un solo proceso de vertido es mucho más simple que el tradicional apilado secuencial de capas en un producto estratificado, ", dijo Stone." En una aplicación de este estudio, estamos explorando la física detrás de la creación de una estructura en capas completa con un solo paso, en lugar de apilar las capas una a una ".

La inspiración para el proyecto de investigación provino de un foto enviada por correo electrónico de una bebida de café en capas enviada a Stone. Con Xue buscando un proyecto para emprender cuando comenzó su trabajo de posgrado, Inicialmente investigó el concepto preparando lattes en el laboratorio, usando café y leche comprados en la tienda.

Después de varios intentos, Xue tuvo claro que permanecer dentro de ciertos parámetros, como temperaturas y velocidades de vertido, permitido para un café con leche característico. Estos esfuerzos insinúan lo subyacente, física cuantificable que tuvo que estar involucrada en la formación de su estructura líquida.

Para controlar con mayor precisión su modelo de capas de café con leche, Xue y sus colegas optaron por una receta alternativa que haría estremecer a un barista:agua teñida en sustitución del café caliente, y salado, agua más densa para la leche tibia.

Un panel de diodos emisores de luz y una cámara iluminaron y capturaron el movimiento de los fluidos dentro del brebaje. Los investigadores sembraron la mezcla con partículas trazadoras, que dispersa la luz de un rayo láser verde, para seguir la dinámica interna del faux-latte, una técnica llamada velocimetría de imágenes de partículas. Finalmente, Se realizaron simulaciones numéricas para comparar los datos recopilados con varios modelos del sistema en evolución de entremezclar líquidos.

El análisis general mostró que el mecanismo principal detrás de la estratificación es un fenómeno conocido como convección de doble difusión. Ocurre cuando se apilan fluidos de diferentes densidades, impulsados ​​por la gravedad a mezclar su contenido, intercambian calor a través del movimiento de sus materiales constituyentes. Dentro de una mezcla dada, más denso los líquidos más fríos se hunden, mientras más ligero, los líquidos más calientes suben. Este hundimiento y ascenso se detiene sin embargo, cuando la densidad local en una región dentro de un café con leche se acerca a un equilibrio. Como resultado, el fluido tiene que fluir horizontalmente, en lugar de verticalmente, creando bandas distintas, o capas.

A través de sus experimentos, Los investigadores examinaron también la importancia de la velocidad de la inyección de líquido de la leche tibia. Si se vierte demasiado lento, el fluido más denso se mezclará de manera demasiado uniforme a medida que fluye hacia el fluido menos denso. Una velocidad de vertido más rápida hace que el primero atraviese el segundo y desencadene los movimientos rápidos que culminan en la estratificación deseada cuando se establecen los equilibrios de densidad.

Es necesario realizar un trabajo adicional para caracterizar el efecto de estratificación demostrado en los lattes para extender el control a otros líquidos y semisólidos nivelados. Pero los hallazgos preliminares de Xue y sus colegas ya han demostrado cómo la actividad dentro de una bebida común podría conducir a conocimientos poco comunes.

"Este resultado muestra la belleza de la mecánica de fluidos y es muy significativo, "dijo Detlef Lohse, profesor de mecánica de fluidos en la Universidad de Twente en los Países Bajos que no participó en el estudio. "Creo que influirá en varios flujos industriales y procedimientos de mezcla en la denominada tecnología de procesos, en el que la mezcla de fluidos con diferentes densidades mediante la inyección de uno en el otro es omnipresente ".

Lohse señaló además cómo la investigación de Princeton podría ayudar a explicar mejor los flujos de agua dependientes del calor y la salinidad en los vastos océanos de la Tierra. un fenómeno que tiene implicaciones clave en climatología y ecología. "El hallazgo más asombroso puede ser que existe una analogía perfecta entre las capas en un café con leche, "dijo Lohse, "y las capas de agua conocidas y extremadamente relevantes con diferentes temperaturas y concentraciones de sal en el océano".