di Jonathan Gagne

Jesse Lambert, un membro del mio Canale Telegram, di recente ha attirato la mia attenzione su una cosa davvero interessante carta di fisica di Knight, Jaeger & Nagel che ora penso possa essere rilevante per la nostra comprensione di multe migrazione nella preparazione del caffè. Ci sono alcune considerazioni che potrebbero complicarne l'applicazione al caffè, ma su quelle tornerò alla fine del post.

Per prima cosa, permettetemi di riassumere la mia opinione su multe migrazione prima di leggere quel foglio. Potresti ricordare che quando discutiamo della distribuzione dimensionale delle particelle di caffè, spesso chiamiamo quelle più piccole multe e i più grandi massi. Quando usiamo la parola migrazione in questo contesto, di solito ci riferiamo a multe spostandosi preferenzialmente verso il fondo del letto del caffè durante l'infusione. Questo è talvolta chiamato anche effetto noce del Brasile perché i frammenti tenderanno ad accumularsi sul fondo di un contenitore in cui viene conservato il cibo secco.

Questo fenomeno di multe lo spostamento verso il fondo del letto di caffè è più rilevante per i metodi di percolazione, cioè quelli in cui versiamo acqua sopra il caffè e utilizziamo i fondi stessi come parte del sistema di filtrazione. Ci preoccupiamo di questo perché l'accumulo di multe vicino al filtro che tiene insieme il letto del caffè potrebbe ostruirsi una quantità sufficiente di pori e causare l'ostruzione. Quando un filtro si intasa, rallenterà il flusso dell'acqua in modo poco controllato, e questo si tradurrà anche in un flusso meno uniformemente distribuito e quindi in estrazione attraverso il letto di caffè. Se sei interessato a saperne di più su questo, vedi questo post precedente che ho scritto sull'argomento.

L'effetto noce del Brasile osservato in un barattolo di cibo per gatti. I frammenti più piccoli tendono ad accumularsi sul fondo del vaso.

La mia precedente comprensione di come multe migrazione avvenne che, in presenza di vibrazioni sufficientemente forti da sollevare i massi di caffè, apparissero momentaneamente degli spazi maggiori tra di loro che consentissero multe per cadere verso il basso. Questo video mostra questo meccanismo in azione. Anche se può ancora accadere, la scoperta chiave del documento Knight è che questo effetto non è richiesto per multe migrazione verificare ! Anche se le vibrazioni sono troppo deboli per sollevare i massi o farli saltare, un meccanismo completamente diverso può comunque causare il multe per ostruire i pori del filtro del caffè e i suoi dettagli sono incredibilmente interessanti.

Per capirlo, il team di scienziati guidato da Knight ha posizionato delle palline di vetro di forma identica in un contenitore cilindrico e ha aggiunto una singola palla più grande con la stessa densità di massa delle altre. Hanno dipinto la palla grande e un paio di quelle piccole con un colore brillante in modo che potessero facilmente seguire i loro spostamenti, e hanno attaccato un dispositivo al contenitore che può imitare un breve tocco in un modo molto controllabile. In questo modo, possono picchiettare artificialmente il contenitore tutte le volte che vogliono, sempre con la stessa identica forza e durata. Tutto quello che dovevano fare era attivare il tocco e osservare come si muovevano le palline colorate. Con sorpresa degli scienziati, non c'era bisogno di alzare la palla perché succedesse qualcosa. Invece, le sfere vicino ai bordi del contenitore sono state spinte verso il basso dalle forze di attrito delle pareti che vibravano contro le sfere, che hanno avviato un flusso ciclico nell'intero contenitore che assomiglia molto alla convezione in un liquido caldo.

L'immagine sopra mostra una sequenza temporale di movimento in un contenitore cilindrico mentre viene toccato molte volte. Alcune delle palline sono state colorate per tenere traccia del loro movimento. Le sfere contro le pareti scorrono verso il basso e spingono le particelle centrali verso l'alto, avviando un flusso ciclico di tipo convettivo. Fonte: Cavaliere et al. (1993), modificato.

Come puoi vedere nell'immagine sopra, le palline di vetro che arrivano dall'alto spingono lo strato inferiore di palline verso il centro del contenitore, e queste a loro volta spingono verso l'alto le palline centrali inferiori. Quando raggiungono la superficie, migrano verso l'esterno verso le pareti del contenitore, e questo completa il ciclo dove vengono spinti di nuovo verso il basso dalla vibrazione.

In natura, la convezione può essere osservata in tutti i tipi di luoghi in cui un fluido viene riscaldato rapidamente; alla superficie del Sole, in una pentola d'acqua bollente, in una zuppa calda di Miso soprattutto appena tolto il coperchio, o anche in una tazzina di tè in un ambiente fresco con la giusta illuminazione. Non credo che il moto delle sfere possa essere chiamato convezione propriamente detta, ma sicuramente si muovono in modo molto simile.

L'immagine sopra mostra le celle di convezione sulla superficie del Sole. Grandi bolle di gas caldo (più luminoso) scorrono verso l'alto e strati sottili di gas freddo (più deboli) scorrono verso il basso tra le bolle. La natura ciclica di questo flusso è simile a quanto si osserva in un cilindro filettato di sfere di vetro. Fonte: Università del Wisconsin, Madison.

Nell'immagine sopra, puoi vedere la convezione che avviene sulla superficie del Sole; le cellule del fluido caldo che si muove verso l'alto e gli interstizi del fluido che si muove verso il basso leggermente più freddo assomigliano al contenitore delle sfere di vetro. Quest'ultimo, infatti, sembra quasi una grande cella di convezione che sale al centro del cilindro.

Se tutte le palline avessero la stessa dimensione, il risultato sarebbe un movimento lento e ciclico intorno al contenitore. Ma qualcosa va in tilt quando la sfera di vetro più grande si avvicina alla parete del cilindro nello strato superiore. È troppo grande per adattarsi al flusso verso il basso e rimane bloccato nello strato superiore. Se avessi molte palline grandi, alla fine rimarrebbero tutte intrappolate vicino alla parte superiore del contenitore. Se immagini una grande quantità di noci grandi con una certa quantità di frammenti di noce, dopo un po' ti ritroverai con tutta la polvere sul fondo, e quindi osserverai l'effetto della noce del Brasile.

Per verificare la loro ipotesi che l'intero flusso fosse guidato dall'attrito con le pareti del contenitore, hanno ripetuto l'esperimento utilizzando un contenitore con un lato ruvido e uno liscio. Il lato ruvido fornisce molto più attrito e, come si aspettavano, ha guidato un flusso verso il basso molto più importante vicino al bordo ruvido della parete del contenitore:

Nell'immagine sopra, il lato destro del contenitore cilindrico è ruvido e fornisce attrito, mentre il lato sinistro è liscio e non fornisce quasi nessun attrito. Di conseguenza, il flusso verso il basso avviene solo sul lato destro. Fonte: Cavaliere et al. (1993).

Il team di scienziati non si è fermato qui. Hanno deciso di testare un'altra forma del contenitore e, sorprendentemente, hanno scelto di studiare il comportamento di un cono, rendendolo molto rilevante per le birre V60! Hanno ripetuto lo stesso esperimento e hanno osservato qualcosa di scioccante. Il flusso si è completamente invertito e questo ha causato l'intrappolamento delle palline più grandi sul fondo, anziché sulla superficie!

Un contenitore conico inverte la direzione dei flussi di tipo convettivo, facendo in modo che le sfere più grandi rimangano bloccate sul fondo. Fonte: Cavaliere et al. (1993), modificato.

Hanno anche osservato che lo spessore del flusso del bordo verso l'alto era un po' più grande rispetto alla cassa del cilindro. In linea di principio, ciò potrebbe significare che massi leggermente più grandi possono completare l'intero ciclo piuttosto che rimanere bloccati da qualche parte, rispetto alla cassa del cilindro.

Un altro articolo scientifico di Hejmady e coautori ha mostrato questa bellissima sequenza di come gli strati di sfere colorate si evolvono con la vibrazione per far risaltare i dettagli della struttura del flusso:

Strato superiore delle foto: sequenza temporale di come le vibrazioni influiscono sugli strati di palline colorate. Strato inferiore: simile con l'eccezione di una grande palla che è inclusa per mostrare come rimane intrappolata in superficie. Fonte: Hejmady et al. (2012).

Mostrano anche una bella visualizzazione della direzione del flusso in un'immagine sovrapposta simile a una foto a lunga esposizione:

Questo video mostra anche una grande visualizzazione del fenomeno.

Con tutti questi risultati in mente, potresti pensare che un contenitore a forma di V potrebbe funzionare contro l'intasamento di un filtro perché lo farebbe concentrato i massi in fondo invece del multe, ma non è questo il punto perché il multe circolando attorno ai bordi del filtro in carta contribuirebbe ad intasarlo, indipendentemente dalla direzione in cui scorrono. multe abbastanza piccolo da penetrare nei pori del filtro di carta rimarranno incastrati in esso, quindi qualsiasi tipo di movimento che porta di più multe in prossimità del filtro contribuirà a raggiungere il punto in cui il filtro si intasa. In altre parole, picchiettare su un filtro conico o cilindrico contribuirà a intasare il filtro, anche se intrappolano i massi in diverse zone del letto di caffè.

Questi concetti potrebbero essere applicati anche alla preparazione del caffè in un altro paio di modi:

– Un cilindro vibrante potrebbe essere utilizzato per sollevare i massi fino alla sommità di una dose di caffè macinato per raccoglierlo e restringere la distribuzione delle particelle. Sarebbe simile al setaccio, ma potrebbe essere un po' più comodo e veloce. Tuttavia, probabilmente condividerebbe alcuni degli svantaggi del setacciamento, ad esempio sarebbe probabilmente disordinato e difficile da replicare esattamente.

– Gli angoli delle pareti di un birrificio conico potrebbero probabilmente essere scelti per ridurre al minimo qualsiasi spostamento di particelle nel birrificio anche in presenza di vibrazioni. Come discute l'articolo di Knight, il fatto che le pareti molto inclinate invertono il flusso probabilmente significa che c'è una geometria con pareti meno inclinate, tra questo particolare cono e un cilindro, che fermerebbe tutto il movimento della palla. Anche i bordi molto lisci potrebbero ottenere questo risultato, ma ricorda che i bordi di un letto da caffè sono il filtro di carta stesso e non sembra plausibile avere un filtro di carta molto liscio e senza attrito.

– Se avessimo un filtro che non si intasa, potremmo sfruttare questa riorganizzazione delle particelle del letto di caffè per rendere più uniforme l'estrazione. Normalmente il fondo del letto del caffè viene a contatto solo con acqua concentrata, e questo fa sì che il fondo estragga meno e in modo diverso: estrarrà preferibilmente sostanze chimiche che non sono già disciolte in acqua, vedi questo post precedente che ho scritto per di più su questo. I birrai conici compensano in parte questo facendo passare una maggiore quantità di acqua attraverso il fondo del letto del caffè a causa della loro geometria, e questo impedisce al fondo di essere sottoestratto. Questa è però una soluzione imperfetta, perché il fondo del letto del caffè estrae ancora in modo diverso. Usare la vibrazione per riorganizzare il letto del caffè senza intasare il filtro sarebbe fantastico, ma una vera sfida: richiederebbe che sia la distribuzione delle particelle di caffè sia molto uniforme, e anche i pori del filtro siano molto uniformi e più piccoli delle particelle di caffè .

È importante tenere presente che questi documenti si basano su uno scenario idealizzato che potrebbe rendere meno semplice la loro applicazione alla preparazione del caffè. Ecco alcuni avvertimenti a cui potrei pensare, ma potrebbero essercene di più:

– La presenza di acqua nel birrificio fornisce forze aggiuntive (trascinando lungo le correnti e la spinta verso l'alto) che possono introdurre diversi spostamenti delle particelle di caffè. In presenza di vibrazioni, il flusso di particelle sopra descritto probabilmente avviene ancora, ma potrebbe essere spazzato via da effetti più forti.

– Gli scienziati che hanno condotto questi esperimenti hanno utilizzato un tipo molto specifico di intercettazione con un singolo 30 Hz frequenza vibrazione. È possibile che cambiando quello frequenza potrebbe influenzare la forza o anche la direzione dei flussi di particelle. In pratica, il tocco delle dita potrebbe causare vibrazioni di frequenze diverse e persino variabili.

– Le forme delle particelle di caffè sono tutt'altro che sferiche, il che potrebbe influenzare questi risultati. Allo stesso modo, in scenari reali abbiamo un'ampia varietà di dimensioni delle particelle, non solo piccole particelle uniformi e una grande particella. Penso che questi effetti siano meno probabili, perché si osservano flussi di tipo convettivo anche in contenitori di noci e cibi secchi di forma e dimensioni non uniformi.

– È importante tenere presente che forti vibrazioni o forze verso l'alto possono ancora sollevare massi e causare multe cadere tra le crepe. Ciò significa che anche in uno scenario in cui la geometria di un contenitore impedisce spostamenti di tipo convettivo, questo tipo alternativo di multe migrazione potrebbe ancora accadere.

Spero che tu abbia trovato questi risultati interessanti quanto me! Vorrei ringraziare anche Jesse Lambert per aver scovato questi documenti!