為什麼只有一塊有奶油?用流變學正經分析一下奧利奧的「扭一扭」

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機器之心報道

機器之心編輯部

一些看似不起眼的生活現象,背後卻蘊含著重要的物理知識。

「扭一扭,舔一舔,泡一泡……」這句廣告詞是無數人童年記憶的一部分。但你有沒有想過,為什麼每塊奧利奧扭開之後,裡面的奶油都只會粘在一塊餅乾上?

這個看似不起眼的現象卻被 MIT 的幾個工程師盯上了。在他們眼裡,扭開奧利奧不再是一個簡單的動作,而是一個流變學問題,即研究非牛頓材料在扭曲、擠壓或其他壓力下是如何流動的。

論文第一作者為 MIT 博士生 Crystal E. Owens,主要研究方向為流體力學、固體力學、機械設計和製造的交叉學科;此外還包括 MIT 機械工程系的本科生範瑞等。

Crystal E. Owens

「讓奶油均勻地分佈在兩塊餅乾之間真的很難,」範瑞說道。

為了找到這個問題的答案,範瑞所在的研究小組在實驗室對餅乾進行了標準的流變學測試,發現無論口味或餡料總量如何,奧利奧中心的奶油在扭開時幾乎總是粘在一塊餅乾上。只有比較舊的盒裡的餅乾在扭開時奶油會在兩片薄餅之間分離得較為均勻。

研究人員還測量了扭開奧利奧所需的扭矩,發現它與轉動門把手所需的扭矩相似,約為扭開瓶蓋所需扭矩的 1/10。奶油的破壞應力——即讓奶油流動或變形所需的單位面積力——是乳酪和花生醬的兩倍。從奶油對壓力的反應來看,研究小組將其質地歸類為「糊狀(mushy)」,而不是易碎、堅韌或有彈性。

研究不是為了玩,他們還發表了論文

那麼,為什麼那些奶油會粘在一邊,而不是均勻地分佈在兩邊呢?這可能和製作過程有關係。

「製作過程顯示,他們會先將一片餅乾放下,然後在上面放一團奶油,最後再把另一片餅乾蓋上去。顯然,這一小段時間的延遲可能會使奶油更容易粘在第一片餅乾上,」研究複雜流體屬性的 MIT 機械工程學院準博士 Crystal Owens 說。

看到這裡,你可能覺得這幾位同學研究這個問題就是為了玩兒,但實際上,他們還想借此機會讓大家瞭解流變學這門學科。為此,他們設計了一種可以 3D 列印的「奧利奧計」。這是一種簡單的裝置,可以牢牢抓住奧利奧餅乾,並使用硬幣和橡皮筋來控制扭力,逐漸將餅乾扭開。

拆開來看,完整的列印設計包含兩個前夾具,兩個後夾具,兩個放奧利奧的夾具,底座,一個螺栓,一個螺母,組裝如圖所示。

裝置圖紙參見:https://github.com/crystalowens/oreometer/

測試完成後,他們還寫了一篇名為《On Oreology, the fracture and flow of ‘milk’s favorite cookie》的論文,並發表在流體力學權威期刊 Physics of Fluids 的特刊 Kitchen Flows 上。

論文連結:https://aip.scitation.org/doi/10.1063/5.0085362

從科學的角度講,夾心餅乾是一種平行板流變測量的正規化模型,其中流體樣品(奶油)被夾在兩個平行板(餅乾)之間。當兩塊餅乾反向旋轉時,奶油會變形、流動並最終破裂,導致奧利奧分成兩塊。

雖然奧利奧奶油似乎不具備類似流體的特性,但它被認為是一種「屈服應力流體」,在足夠的壓力下會開始流動,就像牙膏、某些化妝品和混凝土一樣。

Owens 等人將奧利奧放置到流變儀上,探究是否可以控制它。

他們將奧利奧固定在流變儀的頂板和底板上,並施加不同程度的扭矩和角度進行旋轉,記錄成功將每個餅乾扭曲分開對應的數值,並將這些測量值代入方程式,以計算奶油的粘彈性或流動性。對於每個實驗,他們還記錄了奶油的「post-mortem 分佈」,即奶油在扭開後最終的位置。

研究團隊總共檢查了大約 20 盒奧利奧,包括普通、雙份和超級份的填充物,以及多種口味。令人驚訝的是,他們發現無論奶油餡料量或風味如何,奶油幾乎總是會被分到一塊餅乾上。

Owens 說:「我們原本以為實驗結果會和奶油的量有關,如果層之間有更多的奶油,奶油應該更容易分成兩部分。但事實並非如此。」

奇怪的是,當他們將每個餅乾的結果對映到盒子中的原始位置時,注意到奶油傾向於粘在面向內(inward-facing)的餅乾上:盒子左側的餅乾扭曲,奶油最終粘在右側的威化餅上,而右側的餅乾大部分在左側的餅乾上與奶油分開。他們懷疑這種盒子分佈可能是後期製造環境影響的結果,例如加熱或推擠等甚至在扭一扭之前就導致奶油從外部餅乾上稍微脫落了。

從奧利奧奶油的特性中獲得的理解可能會應用於其他複雜流體材料的設計。

她說:「我的 3D 列印流體與奧利奧奶油屬於同一類材料。因此,當我嘗試以碳奈米管漿液列印柔性電子產品時,從奧利奧中獲得的靈感可以幫助我更好地設計列印流體,因為它們以幾乎完全相同的方式發生變形。」

網友:研究者的好奇心帶給我一天的快樂

對於這項有趣的奧利奧研究,網友們的評論有贊同,也有不理解。下面這位網友是一所中學的物理 / 工程老師,ta 想要根據這項研究的論文建立一門課程。

另一位網友則表示,研究者們的好奇心帶給我一天的快樂。

不過,也有網友認為這項研究「真是個玩笑」,浪費時間和金錢,應該把時間花在更有意義的事情上。

對此,一作 Crystal Owens 回覆稱,實驗室有時會有停機時間(downtime),做一些有趣的研究很好打發了我的時間。

你覺得呢?

原文連結:https://news.mit.edu/2022/oreometer-cream-0419

評論來源:https://www.youtube.com/watch?v=V_gaJ4po_Nw&t=37s

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