Científicos de Oxford resuelven el caso de por qué el ketchup salpica de una botella casi vacía

Agrandar / Sacar las últimas cucharadas de ketchup de la botella puede provocar salpicaduras inesperadas.

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El ketchup es uno de los condimentos más populares en los EE. UU., junto con la mayonesa, pero sacar esas últimas cucharadas de la botella a menudo resulta en una salpicadura repentina. “Es molesto, potencialmente vergonzoso y puede arruinar la ropa, pero ¿podemos hacer algo al respecto?” Callum Cuttle, de la Universidad de Oxford, durante una conferencia de prensa a principios de esta semana en una reunión de la Sociedad Estadounidense de Física sobre dinámica de fluidos en Indianápolis, Indiana. “Y lo que es más importante, ¿puede la comprensión de este fenómeno ayudarnos con otros problemas en la vida?”

La respuesta a ambas preguntas, según Cuttle, es un rotundo sí. Junto con su colega de Oxford, Chris MacMinn, realizó una serie de experimentos para identificar las fuerzas en juego y desarrollar un modelo teórico para las salpicaduras de ketchup. Entre los hallazgos más interesantes: apretar la botella más lentamente y duplicar el diámetro de la boquilla ayuda a evitar salpicaduras. También hay un umbral crítico en el que el flujo de ketchup cambia repentinamente de no salpicar a salpicar. Se ha publicado un documento de preimpresión en arXiv y actualmente se encuentra en proceso de revisión por pares.

Isaac Newton identificó las propiedades de lo que consideró un “líquido ideal”. Una de esas propiedades es la viscosidad, vagamente definida como cuánta fricción/resistencia hay para fluir en una sustancia determinada. La fricción surge porque un líquido que fluye es esencialmente una serie de capas que se deslizan unas sobre otras. Cuanto más rápido se desliza una capa sobre otra, más resistencia hay, y cuanto más lento se desliza una capa sobre otra, menos resistencia hay.

Pero no todos los líquidos se comportan como el líquido ideal de Newton. En el fluido ideal de Newton, la viscosidad depende en gran medida de la temperatura y la presión: el agua continuará fluyendo, es decir, actuará como agua, independientemente de otras fuerzas que actúen sobre ella, como ser agitada o mezclada. En un fluido no newtoniano, la viscosidad cambia en respuesta a una deformación aplicada o una fuerza de corte, por lo que se extiende a ambos lados del límite entre el comportamiento líquido y sólido. A los físicos les gusta llamar a esto una “fuerza de corte”: agitar una taza de agua produce una fuerza de corte, y el agua se corta para apartarse. La viscosidad permanece invariable. Pero la viscosidad de los fluidos no newtonianos cambia cuando se aplica una fuerza de corte.

El ketchup es un fluido no newtoniano. La sangre, el yogur, la salsa, el barro, el pudín y los rellenos espesados ​​para pasteles son otros ejemplos, junto con la baba de mixinos. No todos son exactamente iguales en términos de su comportamiento, pero ninguno de ellos se adhiere a la definición de Newton de un líquido ideal.

La mostaza, el ketchup y la mayonesa son ejemplos de fluidos no newtonianos.
Agrandar / La mostaza, el ketchup y la mayonesa son ejemplos de fluidos no newtonianos.

El ketchup, por ejemplo, se compone de sólidos de tomate pulverizados suspendidos en un líquido, lo que lo convierte en un “sólido blando” más que en un líquido, según Anthony Strickland de la Universidad de Melbourne en Australia. Los sólidos se conectan para crear una red continua, y uno debe superar la fuerza de esa red para que la salsa de tomate fluya, generalmente golpeando o golpeando la botella. Una vez que eso sucede, la viscosidad disminuye, y cuanto más disminuye, más rápido fluye la salsa de tomate. Los científicos de Heinz han fijado la tasa de flujo óptima de ketchup en 0,0045 por hora.

Cuando solo queda un poco de salsa de tomate en la botella, debe golpearla mucho más fuerte, lo que aumenta el riesgo de salpicaduras. “Cuando llegas al final, gran parte de lo que hay adentro es aire”, dijo Cuttle. “Entonces, cuando aprietas, lo que estás haciendo es comprimir aire dentro de la botella, lo que genera una presión que arrastra el [ketchup] La boquilla proporciona una fuerza de arrastre viscoso que contrarresta el flujo viscoso de la salsa de tomate, y el equilibrio entre ellos determina la tasa de flujo. A medida que la botella se vacía, la viscosidad disminuye porque hay cada vez menos salsa de tomate para empujar. de líquido significa que hay cada vez más espacio para que el aire se expanda dentro de la botella, disminuyendo la fuerza impulsora con el tiempo.

Comprender la complicada dinámica de por qué el flujo suave cambia repentinamente a una salpicadura comenzó con la simplificación del problema. Cuttle y MacMinn crearon un análogo de una botella de salsa de tomate, llenando jeringas (básicamente tubos capilares) con salsa de tomate y luego inyectando diferentes cantidades de aire (de 0 a cuatro mililitros) a tasas de compresión fijas para ver cómo el cambio de la cantidad de aire impactaba en la tasa de flujo. y si la salsa de tomate salpicó. Repitieron los experimentos con jeringas llenas de aceite de silicona para controlar mejor la viscosidad y otras variables clave.

Los físicos de Oxford inyectaron aire en jeringas llenas de aceite de silicona para construir un modelo matemático para exprimir la salsa de tomate de una botella.
Agrandar / Los físicos de Oxford inyectaron aire en jeringas llenas de aceite de silicona para construir un modelo matemático para exprimir la salsa de tomate de una botella.

Universidad de Oxford

El resultado: las jeringas con 1 mililitro o más de aire inyectado produjeron salpicaduras. “Esto nos dice que necesita algo de aire en la jeringa o botella para generar una salpicadura y crear ese estallido inestable de flujo”, dijo Cuttle. Eso constituye un umbral crítico de “salpicadura de salsa” en el que la salsa de tomate cambia de un flujo suave a una salpicadura, dependiendo de factores tales como la cantidad de aire, la tasa de compresión y el diámetro de la boquilla. Por debajo de ese umbral, la fuerza impulsora y el flujo de salida de líquido están equilibrados, por lo que el flujo es suave. Por encima del umbral, la fuerza motriz disminuye más rápido que el flujo de salida. El aire se sobrecomprime, como un resorte reprimido, y el último trozo de ketchup es forzado a salir en un estallido repentino.

“La salpicadura de una botella de ketchup puede reducirse a los márgenes más pequeños: apretar incluso un poco más fuerte producirá una salpicadura en lugar de un flujo constante de líquido”, dijo Cuttle. Un consejo útil es apretar más lentamente, reduciendo así la velocidad a la que se comprime el aire. Ampliar el diámetro de la boquilla ayudaría aún más, ya que la válvula de goma en el pico puede aumentar el riesgo de salpicaduras. Por supuesto, las válvulas ayudan a evitar los plomos, pero también te obligan a acumular una cierta cantidad de presión para que la salsa de tomate comience a fluir desde la botella. Cuttle recomienda simplemente quitar la tapa de la botella cuando esté casi vacía como un truco práctico, exprimiendo los últimos trozos de salsa de tomate del cuello más ancho.

“Es sentido común, pero ahora existe un marco matemático riguroso para respaldarlo”, dijo Cuttle. “Y un gas que empuja a un líquido fuera del camino es algo que sucede en muchos otros contextos”. Eso incluye acuíferos para almacenar dióxido de carbono capturado, ciertos tipos de erupciones volcánicas y volver a inflar pulmones colapsados.

DOI: arXiv, 2022. 10.48550/arXiv.2112.12898 (Acerca de los DOI).

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