Каллум Каттл, исследователь из Оксфордского университета, задался вопросом, есть ли способ выдавить кетчуп, горчицу или майонез из бутылки так, чтобы соусы не разбрызгивались: "И, что более важно, может ли понимание этого явления помочь нам с какими-либо другими жизненными проблемами?"

Оказывается, короткий ответ на оба вопроса — да. В частности, Каттл и его коллега Крис МакМинн провели серию экспериментов, чтобы понять физические силы, участвующие в образовании брызг. Они также создали подробную теоретическую модель брызг кетчупа. Однако их исследование все еще ожидает оценки независимыми учеными, сообщает Ars Technica.

Кетчуп — это жидкость?

В свое время Исаак Ньютон определил свойства так называемой идеальной жидкости. Одним из них является вязкость, что в широком смысле означает внутреннее трение любого вещества или сопротивление течению.

Трение возникает из-за того, что жидкость по существу состоит из слоев, скользящих друг относительно друга. Чем быстрее один слой скользит по другому, тем больше сопротивление, и наоборот: чем медленнее слои проходят друг друга, тем сопротивление меньше.

В идеальной жидкости вязкость во многом зависит от температуры и давления: вода все равно течет, какие бы силы на нее в данный момент не воздействовали. Однако не все жидкости ведут себя как ньютоновские.

В неньютоновской жидкости вязкость изменяется, когда жидкость подвергается осевой или поперечной силе, что стирает грань между поведением жидкости и твердого тела. Физики называют это "силой сдвига". Перемешивание воды в чашке создает силу сдвига: вода смещается в сторону, вязкость же остается неизменной. В случае неньютоновских жидкостей при приложении силы сдвига вязкость изменится.

Кетчуп — это неньютоновская жидкость, как и кровь, йогурт, соус, грязь и пудинг. Хотя не все эти субстанции ведут себя одинаково, ни одна из них не соответствует ньютоновскому определению идеальной жидкости.

Например, кетчуп состоит из измельченной в порошок томатной мякоти, плавающей в жидкости. Так что это скорее "мягкое твердое вещество", чем жидкость, говорит ученый Мельбурнского университета Энтони Стрикленд, не участвовавший в исследовании. Твердые части кетчупа соединяются и образуют непрерывную сеть. Чтобы заставить кетчуп течь, нужно каким-то образом преодолеть силу, которая держит частицы кетчупа вместе — обычно путем встряхивания или удара по бутылке. После этого вязкость снижается, и чем больше изменение, тем быстрее соус течет. Исследователи из лабораторий Heinz считают оптимальной скоростью потока для кетчупа 75 сантиметров в минуту.

Если на дне бутылки осталось совсем немного соуса, стукнуть по бутылке нужно сильнее — и это увеличивает риск разбрызгивания. По словам Каттла, пустая бутылка заполнена воздухом. При сжатии или ударе создается отрицательное давление, которое вытягивает кетчуп. 

При необходимости стоит открутить колпачок

Чтобы понять динамику того, почему плавный поток внезапно превращается в брызги, Каттл и МакМинн упростили задачу. Они наполнили несколько шприцев кетчупом, добавив к ним по 0-4 миллилитра воздуха при том же давлении. Так ученые надеялись выяснить, какое количество воздуха в бутылке влияет на скорость потока соуса и разбрызгивание. 

В качестве проверочного эксперимента они использовали шприцы с силиконовым маслом, чтобы лучше контролировать вязкость вещества и другие факторы.

Оказалось, что шприцы, содержащие более одного миллилитра воздуха, производят брызги. По словам Каттла, это показывает, что для разбрызгивания требуется наличие воздуха в бутылке.

Ученые также обнаружили критический порог, за которым плавный поток соуса сменяется неравномерным всплеском. Это зависит от количества воздуха, оказываемого на него давления и диаметра сопла. Ниже этой границы сила, заставляющая соус двигаться, и отток самой жидкости находятся в равновесии. Выше предела движущая сила уменьшается быстрее, чем отток. Затем слишком большое давление действует на воздух, как застрявшая пружина, и последняя капля кетчупа взрывным образом выталкивается из бутылки.

По словам Каттла, разбрызгивание кетчупа сводится к мельчайшим вещам: даже слишком сильное сжатие создаст всплеск вместо постоянного потока. Поэтому ученый советует надавливать на бутылку медленнее, чтобы скорость сжатия воздуха была ниже.

Еще лучше помогло бы более широкое сопло, потому что резиновый клапан на горлышке бутылки может увеличить риск разбрызгивания. Каттл рекомендует вообще отвинтить крышку на почти пустой бутылке и вытряхивать кетчуп так.

И хотя эти советы звучат очевидно, Каттл говорит, что эксперименты помогли подтвердить их математически. По его словам, ситуации, когда газ выталкивает жидкость, встречаются повсюду. Например, в водоносных горизонтах, где содержится углекислый газ, в некоторых типах вулканов, а также когда врачи заново заполняют воздухом легкие после коллапса (сжатия).

Не прошедшие рецензирование исследования можно найти в онлайн-репозитории arXiv.