Para quem se maravilhou com as camadas ricamente coloridas de um café com leite, você não está sozinho. Pesquisadores de Princeton, igualmente intrigado, agora revelaram como essa estrutura em camadas se desenvolve quando o expresso é derramado no leite quente.

"A formação da estrutura em um café com leite é surpreendente porque evolui do caótico, derramamento inicial e mistura de fluidos em um ambiente muito organizado, arranjo distinto de camadas, "disse Nan Xue, autor principal de um artigo que descreve as descobertas em Nature Communications , e um aluno de pós-graduação no laboratório de Howard Stone, o Donald R. Dixon '69 e Elizabeth W. Dixon Professor de Engenharia Mecânica e Aeroespacial em Princeton.

As técnicas de aperfeiçoamento para produzir as camadas desejadas pelo fluxo de líquidos umas nas outras podem reduzir os custos e a complexidade em uma variedade de aplicações.

"Do ponto de vista da manufatura, um único processo de vazamento é muito mais simples do que o empilhamento sequencial tradicional de camadas em um produto estratificado, "disse Stone." Em uma aplicação deste estudo, estamos explorando a física por trás de fazer toda uma estrutura em camadas com uma única etapa, em vez de empilhamento das camadas uma a uma. "

A inspiração para o projeto de pesquisa veio de um não solicitado, enviei por e-mail a imagem de uma bebida de café em camadas enviada a Stone. Com Xue em busca de um projeto para assumir ao começar seu trabalho de graduação, ele investigou inicialmente o conceito preparando café com leite no laboratório, usando café e leite comprados em lojas.

Depois de várias tentativas, ficou claro para Xue que ficar dentro de apenas alguns parâmetros, como temperaturas e taxas de vazamento, permitido para um café com leite característico. Esses esforços sugeriram o subjacente, física quantificável que tinha que estar envolvida na formação de sua estrutura líquida.

Para controlar com mais precisão seu modelo de camadas de café com leite, Xue e seus colegas optaram por uma receita padrão que faria estremecer um barista:água tingida no lugar do café quente, e salgado, água mais densa para o leite morno.

Um painel de diodos emissores de luz e uma câmera iluminou e capturou o movimento dos fluidos dentro da mistura. Os pesquisadores semearam a mistura com partículas traçadoras, que espalhou a luz de um feixe de laser verde, para rastrear ainda mais a dinâmica interna do faux-latte, uma técnica chamada velocimetria de imagem de partícula. Finalmente, simulações numéricas foram executadas para comparar os dados coletados com vários modelos do sistema em evolução de líquidos intermediários.

A análise geral mostrou que o mecanismo primário por trás da estratificação é um fenômeno conhecido como convecção difusiva dupla. Ocorre quando fluidos empilhados de diferentes densidades, impelidos pela gravidade para misturar seus conteúdos, trocam calor através do movimento de seus materiais constituintes. Dentro de uma determinada mistura, mais denso, dissipador de líquidos mais frios, enquanto mais leve, líquidos mais quentes sobem. Este afundamento e aumento param, Contudo, quando a densidade local em uma região dentro de um latte se aproxima de um equilíbrio. Como resultado, o fluido deve fluir horizontalmente, ao invés de verticalmente, criando bandas distintas, ou camadas.

Por meio de seus experimentos, os pesquisadores examinaram como a velocidade da injeção de fluido do leite quente também é importante. Se derramado muito lentamente, o fluido mais denso se mistura de maneira muito uniforme à medida que flui para o fluido menos denso. Uma taxa de vazamento mais rápida faz com que o primeiro perfure através do último e acione os movimentos rápidos que culminam na estratificação desejada quando os equilíbrios de densidade são estabelecidos.

Trabalho adicional precisa ser feito para caracterizar o efeito de estratificação demonstrado em lattes para estender o controle para outros líquidos nivelados e semissólidos. Mas as descobertas preliminares de Xue e seus colegas já mostraram como a atividade dentro de uma bebida comum pode levar a percepções incomuns.

“Este resultado mostra a beleza da mecânica dos fluidos e é muito significativo, "disse Detlef Lohse, um professor de mecânica dos fluidos da Universidade de Twente, na Holanda, que não participou do estudo. "Acho que terá influência em vários fluxos industriais e procedimentos de mistura na chamada tecnologia de processo, em que a mistura de fluidos com densidades diferentes pela injeção de um no outro é onipresente ”.

Lohse apontou ainda como a pesquisa de Princeton poderia ajudar a explicar melhor os fluxos de água dependentes do calor e da salinidade nos vastos oceanos da Terra, um fenômeno que tem implicações importantes na climatologia e ecologia. "A descoberta mais impressionante pode ser que existe uma analogia perfeita entre as camadas em um café com leite, "disse Lohse, "e as conhecidas e extremamente relevantes camadas de água com diferentes temperaturas e concentrações de sal no oceano."