为什么只有一块有奶油?用流变学正经分析一下奥利奥的「扭一扭」

机器之心 2022-05-15 12:38
机器之心报道

机器之心编辑部

一些看似不起眼的生活现象,背后却蕴含着重要的物理知识。


「扭一扭,舔一舔,泡一泡……」这句广告词是无数人童年记忆的一部分。但你有没有想过,为什么每块奥利奥扭开之后,里面的奶油都只会粘在一块饼干上?


这个看似不起眼的现象却被 MIT 的几个工程师盯上了。在他们眼里,扭开奥利奥不再是一个简单的动作,而是一个流变学问题,即研究非牛顿材料在扭曲、挤压或其他压力下是如何流动的。

论文第一作者为 MIT 博士生 Crystal E. Owens,主要研究方向为流体力学、固体力学、机械设计和制造的交叉学科;此外还包括 MIT 机械工程系的本科生范瑞等。

Crystal E. Owens

「让奶油均匀地分布在两块饼干之间真的很难,」范瑞说道。

为了找到这个问题的答案,范瑞所在的研究小组在实验室对饼干进行了标准的流变学测试,发现无论口味或馅料总量如何,奥利奥中心的奶油在扭开时几乎总是粘在一块饼干上。只有比较旧的盒里的饼干在扭开时奶油会在两片薄饼之间分离得较为均匀。


研究人员还测量了扭开奥利奥所需的扭矩,发现它与转动门把手所需的扭矩相似,约为扭开瓶盖所需扭矩的 1/10。奶油的破坏应力——即让奶油流动或变形所需的单位面积力——是奶酪和花生酱的两倍。从奶油对压力的反应来看,研究小组将其质地归类为「糊状(mushy)」,而不是易碎、坚韧或有弹性。



研究不是为了玩,他们还发表了论文

那么,为什么那些奶油会粘在一边,而不是均匀地分布在两边呢?这可能和制作过程有关系。

「制作过程显示,他们会先将一片饼干放下,然后在上面放一团奶油,最后再把另一片饼干盖上去。显然,这一小段时间的延迟可能会使奶油更容易粘在第一片饼干上,」研究复杂流体属性的 MIT 机械工程学院准博士 Crystal Owens 说。

看到这里,你可能觉得这几位同学研究这个问题就是为了玩儿,但实际上,他们还想借此机会让大家了解流变学这门学科。为此,他们设计了一种可以 3D 打印的「奥利奥计」。这是一种简单的设备,可以牢牢抓住奥利奥饼干,并使用硬币和橡皮筋来控制扭力,逐渐将饼干扭开。


拆开来看,完整的打印设计包含两个前夹具,两个后夹具,两个放奥利奥的夹具,底座,一个螺栓,一个螺母,组装如图所示。


设备图纸参见:https://github.com/crystalowens/oreometer/

测试完成后,他们还写了一篇名为《On Oreology, the fracture and flow of ‘milk’s favorite cookie》的论文,并发表在流体力学权威期刊 Physics of Fluids 的特刊 Kitchen Flows 上。


论文链接:https://aip.scitation.org/doi/10.1063/5.0085362

从科学的角度讲,夹心饼干是一种平行板流变测量的范式模型,其中流体样品(奶油)被夹在两个平行板(饼干)之间。当两块饼干反向旋转时,奶油会变形、流动并最终破裂,导致奥利奥分成两块。

虽然奥利奥奶油似乎不具备类似流体的特性,但它被认为是一种「屈服应力流体」,在足够的压力下会开始流动,就像牙膏、某些化妆品和混凝土一样。

Owens 等人将奥利奥放置到流变仪上,探究是否可以控制它。


他们将奥利奥固定在流变仪的顶板和底板上,并施加不同程度的扭矩和角度进行旋转,记录成功将每个饼干扭曲分开对应的数值,并将这些测量值代入方程式,以计算奶油的粘弹性或流动性。对于每个实验,他们还记录了奶油的「post-mortem 分布」,即奶油在扭开后最终的位置。

研究团队总共检查了大约 20 盒奥利奥,包括普通、双份和超级份的填充物,以及多种口味。令人惊讶的是,他们发现无论奶油馅料量或风味如何,奶油几乎总是会被分到一块饼干上。

Owens 说:「我们原本以为实验结果会和奶油的量有关,如果层之间有更多的奶油,奶油应该更容易分成两部分。但事实并非如此。」

奇怪的是,当他们将每个饼干的结果映射到盒子中的原始位置时,注意到奶油倾向于粘在面向内(inward-facing)的饼干上:盒子左侧的饼干扭曲,奶油最终粘在右侧的威化饼上,而右侧的饼干大部分在左侧的饼干上与奶油分开。他们怀疑这种盒子分布可能是后期制造环境影响的结果,例如加热或推挤等甚至在扭一扭之前就导致奶油从外部饼干上稍微脱落了。

从奥利奥奶油的特性中获得的理解可能会应用于其他复杂流体材料的设计。

她说:「我的 3D 打印流体与奥利奥奶油属于同一类材料。因此,当我尝试以碳纳米管浆液打印柔性电子产品时,从奥利奥中获得的灵感可以帮助我更好地设计打印流体,因为它们以几乎完全相同的方式发生变形。」

网友:研究者的好奇心带给我一天的快乐

对于这项有趣的奥利奥研究,网友们的评论有赞同,也有不理解。下面这位网友是一所中学的物理 / 工程老师,ta 想要根据这项研究的论文创建一门课程。


另一位网友则表示,研究者们的好奇心带给我一天的快乐。


不过,也有网友认为这项研究「真是个玩笑」,浪费时间和金钱,应该把时间花在更有意义的事情上。


对此,一作 Crystal Owens 回复称,实验室有时会有停机时间(downtime),做一些有趣的研究很好打发了我的时间。


你觉得呢?

原文链接:https://news.mit.edu/2022/oreometer-cream-0419
评论来源:https://www.youtube.com/watch?v=V_gaJ4po_Nw&t=37s



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