par Jonathan Gagné

Jesse Lambert, membre de mon Chaîne de télégramme, a récemment attiré mon attention sur un sujet vraiment intéressant papier de physique par Knight, Jaeger & Nagel qui, je pense maintenant, pourrait être pertinent pour notre compréhension de migration des amendes dans la préparation du café. Il y a certaines considérations qui pourraient compliquer son application au café, mais j'y reviendrai en fin d'article.

Tout d'abord, permettez-moi de résumer mon point de vue sur migration des amendes avant d'avoir lu ce journal. Vous vous souviendrez peut-être que lorsque nous discutons de la distribution granulométrique des particules de café, nous appelons souvent les plus petites amendes et les plus gros rochers. Lorsque nous utilisons le mot migration dans ce contexte, nous faisons généralement référence à amendes se déplaçant préférentiellement vers le bas du lit de café pendant une infusion. C'est ce qu'on appelle aussi parfois l'effet noix du Brésil, car les fragments auront tendance à s'accumuler au fond d'un récipient où sont stockés les aliments secs.

Ce phénomène de amendes se déplacer vers le bas du lit de café concerne principalement les méthodes de percolation, c'est-à-dire celles où l'on verse de l'eau sur le café et utilise le marc lui-même dans le cadre du système de filtration. Nous nous en préoccupons parce que l'accumulation de amendes près du filtre qui maintient le lit de café ensemble, ses pores pourraient être suffisamment obstrués pour provoquer un colmatage. Lorsqu'un filtre se bouche, il ralentira le débit d'eau de manière mal contrôlée, ce qui entraînera également un débit moins uniformément réparti et donc une extraction à travers le lit de café. Si vous souhaitez en savoir plus à ce sujet, consultez cet article précédent que j'ai écrit sur le sujet.

L'effet noix du Brésil observé dans un pot de nourriture pour chat. Les petits fragments ont tendance à s’accumuler au fond du pot.

Ma compréhension antérieure de la façon dont migration des amendes Ce qui s'est produit, c'est qu'en présence de vibrations suffisamment fortes pour soulever les blocs de café, des écarts plus grands entre eux apparaissaient momentanément et permettaient amendes tomber vers le bas. Cette vidéo montre ce mécanisme en action. Bien que cela puisse encore se produire, la principale conclusion de l'article de Knight est que cet effet n'est pas nécessaire pour migration des amendes arriver ! Même si les vibrations sont trop faibles pour soulever les rochers ou les faire sauter, un tout autre mécanisme peut quand même provoquer le amendes pour boucher les pores de votre filtre à café, et ses détails sont incroyablement intéressants.

Pour comprendre cela, l’équipe de scientifiques dirigée par Knight a placé des boules de verre de forme identique dans un récipient cylindrique et a ajouté une seule boule plus grande ayant la même densité de masse que les autres. Ils ont peint la grande boule et quelques petites avec une couleur vive afin de pouvoir suivre facilement leurs déplacements, et ils ont attaché au conteneur un dispositif capable d'imiter un coup court de manière très contrôlable. De cette façon, ils pourraient taper artificiellement sur le récipient autant de fois qu’ils le souhaitent, toujours avec la même force et la même durée. Il ne leur restait plus qu'à ouvrir le robinet et à observer le mouvement des boules colorées. À la grande surprise des scientifiques, il n’était pas nécessaire de soulever la boule pour que quelque chose se produise. Au lieu de cela, les billes situées près des bords du conteneur ont été poussées vers le bas par les forces de friction des parois vibrant contre les billes, ce qui a déclenché un écoulement cyclique dans l'ensemble du conteneur qui ressemble beaucoup à la convection dans un liquide chaud.

L'image ci-dessus affiche une séquence temporelle de mouvement dans un conteneur cylindrique lorsqu'il est tapé plusieurs fois. Certaines balles étaient colorées pour suivre leur mouvement. Les billes contre les parois coulent vers le bas et poussent les particules centrales vers le haut, déclenchant un flux cyclique de type convection. Source: Knight et coll. (1993), modifié.

Comme vous pouvez le voir sur l'image ci-dessus, les boules de verre qui arrivent d'en haut poussent la couche inférieure de boules vers le centre du récipient, et celles-ci poussent à leur tour les boules centrales inférieures vers le haut. Lorsqu'ils atteignent la surface, ils migrent vers les parois du conteneur, ce qui termine le cycle où ils sont à nouveau poussés vers le bas par la vibration.

Dans la nature, la convection peut être observée dans toutes sortes d’endroits où un fluide est rapidement chauffé ; à la surface du Soleil, dans une casserole d'eau bouillante, dans une soupe Miso chaude surtout juste après avoir retiré son couvercle, ou encore dans une petite tasse de thé dans un environnement frais et bien éclairé. Je ne pense pas que le mouvement des balles puisse être qualifié de véritable convection, mais elles se déplacent certainement d'une manière très similaire.

L'image ci-dessus montre des cellules de convection à la surface du Soleil. De grosses bulles de gaz chaud (plus brillantes) s'écoulent vers le haut et de fines couches de gaz froid (plus faibles) s'écoulent vers le bas entre les bulles. Le caractère cyclique de ce flux est similaire à celui observé dans un cylindre taraudé de billes de verre. Source: L'universite de Wisconsin-Madison.

Dans l’image ci-dessus, vous pouvez voir une convection se produire à la surface du Soleil ; les cellules du fluide chaud se déplaçant vers le haut et les interstices du fluide légèrement plus froid se déplaçant vers le bas ressemblent au récipient constitué de billes de verre. En fait, cette dernière ressemble presque à une grande cellule de convection remontant au centre du cylindre.

Si toutes les balles avaient la même taille, le résultat serait un mouvement lent et cyclique autour du conteneur. Mais quelque chose se détraque lorsque la plus grosse boule de verre s’approche de la paroi du cylindre au niveau de la couche supérieure. Il est trop grand pour entrer dans le flux descendant et reste coincé dans la couche supérieure. Si vous aviez beaucoup de grosses boules, elles finiraient toutes par rester coincées près du haut du conteneur. Si vous imaginez une grande quantité de grosses noix avec une certaine quantité de fragments de noix, vous vous retrouverez avec toute la poudre au fond au bout d'un moment, et vous observerez donc l'effet noix du Brésil.

Pour vérifier leur hypothèse selon laquelle l'ensemble des écoulements était entraîné par friction avec les parois du conteneur, ils ont répété l'expérience en utilisant un conteneur avec un côté rugueux et un côté lisse. Le côté rugueux fournit beaucoup plus de friction et, comme ils s'y attendaient, il entraîne un écoulement descendant beaucoup plus important près du bord rugueux de la paroi du conteneur :

Dans l'image ci-dessus, le côté droit du récipient cylindrique est rugueux et procure une friction, tandis que le côté gauche est lisse et ne procure pratiquement aucune friction. En conséquence, le flux descendant ne se produit que du côté droit. Source: Knight et coll. (1993).

L’équipe de scientifiques ne s’est pas arrêtée là. Ils ont décidé de tester une autre forme de récipient et, étonnamment, ils ont choisi d'étudier le comportement d'un cône, ce qui rend cela très pertinent pour les brasseries V60 ! Ils répétèrent la même expérience et observèrent quelque chose de choquant. Le flux s’est complètement inversé, ce qui a fait que les plus grosses boules se sont retrouvées piégées au fond, plutôt qu’à la surface !

Un récipient conique inverse la direction des flux de convection, ce qui coince les plus grosses boules au fond. Source: Knight et coll. (1993), modifié.

Ils ont également observé que l’épaisseur du flux ascendant était un peu plus grande que celle du boîtier du cylindre. En principe, cela pourrait signifier que des rochers légèrement plus gros peuvent terminer le cycle complet plutôt que de rester coincés quelque part, par rapport au boîtier du cylindre.

Un autre article scientifique de Hejmady et co-auteurs a montré cette belle séquence de la façon dont les couches de sphères colorées évoluent avec les vibrations pour faire ressortir les détails de la structure du flux :

Couche supérieure des photos : séquence temporelle de la façon dont les vibrations affectent les couches de boules colorées. Couche inférieure : similaire à l'exception d'une grosse boule qui est incluse pour montrer comment elle reste piégée à la surface. Source: Hejmady et coll. (2012).

Ils montrent également une belle visualisation de la direction du flux dans une image superposée semblable à une photo à exposition longue :

Cette vidéo montre également une grande visualisation du phénomène.

Avec tous ces résultats à l'esprit, vous pourriez penser qu'un récipient en forme de V pourrait empêcher le colmatage d'un filtre, car il se concentrer les rochers en bas au lieu du amendes, mais ce n'est pas la question parce que le amendes circulant sur les bords du filtre en papier contribuerait à son colmatage, quelle que soit la direction dans laquelle ils circulent. Amendes suffisamment petit pour pénétrer dans les pores du filtre en papier y restera coincé, donc tout type de mouvement qui apporte plus amendes à proximité du filtre contribuera à atteindre le point où le filtre se bouche. En d’autres termes, taper sur un filtre conique ou cylindrique contribuera à obstruer le filtre, même s’ils emprisonnent les rochers dans différentes régions du lit de café.

Ces concepts pourraient également être appliqués à la préparation du café de plusieurs manières supplémentaires :

– Un cylindre vibrant pourrait être utilisé pour soulever des rochers jusqu’au sommet d’une dose de café moulu afin de l’évacuer et de rendre la répartition des particules plus étroite. Ce serait similaire au tamisage, mais pourrait être un peu plus pratique et plus rapide. Cela partagerait probablement certains des inconvénients du tamisage, cependant, par exemple, il serait probablement compliqué et difficile à reproduire exactement.

– Les angles des parois d'une cafetière conique pourraient probablement être choisis pour minimiser tout déplacement de particules dans la cafetière, même en présence de vibrations. Comme l'explique l'article de Knight, le fait que les parois très inclinées inversent le flux signifie probablement qu'il existe une géométrie avec des parois moins inclinées, entre ce cône particulier et un cylindre, qui arrêterait tout mouvement de balle. Des bords très lisses pourraient également y parvenir, mais n'oubliez pas que les bords d'un lit de café sont le filtre en papier lui-même, et il semble peu plausible d'avoir un filtre en papier très lisse et sans friction.

– Si nous avions un filtre qui ne peut pas être bouché, nous pourrions utiliser cette réorganisation des particules du lit de café pour rendre l’extraction plus uniforme. Normalement, le fond du lit de café n'entre en contact qu'avec de l'eau concentrée, ce qui fait que le fond extrait moins et de manière différente : il extraira préférentiellement les produits chimiques qui ne sont pas déjà dissous dans l'eau, voir ce post précédent pour lequel j'ai écrit plus à ce sujet. Les cafetières coniques compensent en partie ce problème en faisant passer une plus grande quantité d'eau à travers le fond du lit de café en raison de leur géométrie, ce qui évite une sous-extraction du fond. Il s’agit cependant d’une solution imparfaite, car le fond du lit de café extrait toujours d’une manière différente. Utiliser des vibrations pour réorganiser le lit de café sans obstruer le filtre serait incroyable, mais constituerait un véritable défi : cela nécessiterait à la fois que la répartition des particules de café soit très uniforme et que les pores du filtre soient également très uniformes et plus petits que les particules de café. .

Il est important de garder à l’esprit que ces articles sont basés sur un scénario idéalisé qui pourrait rendre leur application à la préparation du café moins simple. Voici quelques mises en garde auxquelles je pourrais réfléchir, mais il y en a peut-être d'autres :

– La présence d'eau dans l'infuseur fournit des forces supplémentaires (faire glisser le long des courants et la flottabilité ascendante) qui peuvent introduire différents déplacements des particules de café. En présence de vibrations, le flux de particules décrit ci-dessus se produit probablement encore, mais il pourrait être emporté par des effets plus forts.

– Les scientifiques qui ont réalisé ces expériences ont utilisé un type de écoute très spécifique avec une seule fréquence de 30 Hz. fréquence vibration. Il est possible que changer cela fréquence pourrait affecter la force ou même la direction des flux de particules. En pratique, le fait de taper avec les doigts peut provoquer des vibrations de fréquences différentes, voire variables.

– Les formes des particules de café sont loin d’être sphériques, ce qui pourrait affecter ces résultats. De même, dans les scénarios réels, nous avons une grande variété de tailles de particules, pas seulement de petites particules uniformes et une seule grosse particule. Je pense que ces effets sont moins susceptibles de poser problème, car des flux de type convection sont observés même dans des récipients contenant des noix et des aliments secs de forme et de taille inégales.

– Il est important de garder à l'esprit que de fortes vibrations ou forces ascendantes peuvent toujours soulever des rochers et provoquer amendes tomber entre les mailles du filet. Cela signifie que même dans un scénario où la géométrie d'un conteneur empêche les déplacements de type convection, ce type alternatif de migration des amendes cela pourrait encore arriver.

J'espère que vous avez trouvé ces résultats aussi intéressants que moi ! J'aimerais également remercier Jesse Lambert d'avoir déterré ces papiers !