Oxford-Wissenschaftler knacken den Fall, warum Ketchup aus einer fast leeren Flasche spritzt

Vergrößern / Die wenigen letzten Tropfen Ketchup aus der Flasche zu bekommen, kann zu unerwarteten Spritzern führen.

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Ketchup gehört dazu die beliebtesten Gewürze in den USA zusammen mit Mayonnaise, aber wenn man die letzten paar Kleckse aus der Flasche holt, führt das oft zu einem plötzlichen Spritzen. „Es ist nervig, möglicherweise peinlich und kann Kleidung ruinieren, aber können wir etwas dagegen tun?“ sagte Callum Cuttle von der University of Oxford während einer Pressekonferenz Anfang dieser Woche bei einem Treffen der American Physical Society über Fluiddynamik in Indianapolis, Indiana. „Und was noch wichtiger ist, kann uns das Verständnis dieses Phänomens bei anderen Problemen im Leben helfen?“

Die Antwort auf beide Fragen lautet laut Cuttle a klares ja. Zusammen mit seinem Oxford-Kollegen Chris MacMinn führte er eine Reihe von Experimenten durch, um die wirkenden Kräfte zu identifizieren und ein theoretisches Modell für Ketchup-Spritzer zu entwickeln. Zu den interessantesten Erkenntnissen: Ein langsameres Zusammendrücken der Flasche und ein doppelter Durchmesser der Düse helfen, Spritzer zu vermeiden. Es gibt auch eine kritische Schwelle, an der der Ketchupfluss plötzlich von nicht spritzend zu spritzend wechselt. EIN Vordruckpapier wurde auf arXiv veröffentlicht und wird derzeit einem Peer-Review unterzogen.

Isaac Newton die Eigenschaften identifiziert von dem, was er für eine “ideale Flüssigkeit” hielt. Eine dieser Eigenschaften ist Viskositätgrob definiert als wie viel Reibung/Widerstand es gibt, um in einer bestimmten Substanz zu fließen. Die Reibung entsteht, weil eine fließende Flüssigkeit im Wesentlichen aus einer Reihe von Schichten besteht, die aneinander vorbeigleiten. Je schneller eine Schicht über eine andere gleitet, desto größer ist der Widerstand, und je langsamer eine Schicht über eine andere gleitet, desto geringer ist der Widerstand.

Aber nicht alle Flüssigkeiten verhalten sich wie Newtons ideale Flüssigkeit. In Newtons idealer Flüssigkeit hängt die Viskosität weitgehend von Temperatur und Druck ab: Wasser wird weiter fließen – dh sich wie Wasser verhalten – unabhängig von anderen Kräften, die darauf einwirken, wie z. B. Rühren oder Mischen. In einer nicht-newtonschen Flüssigkeit ändert sich die Viskosität als Reaktion auf eine aufgebrachte Dehnung oder Scherkraft, wodurch die Grenze zwischen flüssigem und festem Verhalten überbrückt wird. Physiker nennen dies gerne eine „Scherkraft“: Das Rühren einer Tasse Wasser erzeugt eine Scherkraft, und das Wasser schert aus dem Weg. Die Viskosität bleibt unverändert. Aber die Viskosität von nicht-newtonschen Flüssigkeiten ändert sich, wenn eine Scherkraft ausgeübt wird.

Ketchup ist eine nicht-newtonsche Flüssigkeit. Blut, Joghurt, Soße, Schlamm, Pudding und eingedickte Tortenfüllungen sind weitere Beispiele, zusammen mit Schleim von Schleimaalen. Sie verhalten sich nicht alle gleich, aber keiner von ihnen hält sich an Newtons Definition einer idealen Flüssigkeit.

Senf, Ketchup und Mayonnaise sind Beispiele für nicht-newtonsche Flüssigkeiten
Vergrößern / Senf, Ketchup und Mayonnaise sind Beispiele für nicht-newtonsche Flüssigkeiten

Ketchup zum Beispiel besteht aus pulverisierten Tomatenfeststoffen, die in Flüssigkeit suspendiert sind, was es eher zu einem “weichen Feststoff” als zu einer Flüssigkeit macht. entsprechend Anthony Strickland von der University of Melbourne in Australien. Die Feststoffe verbinden sich zu einem kontinuierlichen Netzwerk, und man muss die Stärke dieses Netzwerks überwinden, um den Ketchup zum Fließen zu bringen – normalerweise durch Klopfen oder Schlagen der Flasche. Sobald das passiert, nimmt die Viskosität ab, und je mehr sie abnimmt, desto schneller fließt das Ketchup. Wissenschaftler von Heinz haben die optimale Durchflussrate für Ketchup auf 0,0045 pro Stunde festgelegt.

Wenn nur noch wenig Ketchup in der Flasche ist, müssen Sie umso stärker schlagen, wodurch die Gefahr von Spritzern steigt. „Am Ende ist ein Großteil des Inhalts Luft“, sagte Cuttle. „Wenn Sie also drücken, komprimieren Sie Luft in der Flasche, wodurch ein Druck aufgebaut wird, der die Flasche zieht [ketchup] heraus.“ Die Düse liefert eine viskose Widerstandskraft, die dem viskosen Fluss des Ketchups entgegenwirkt, und das Gleichgewicht zwischen ihnen bestimmt die Durchflussrate. Wenn sich die Flasche leert, nimmt die Viskosität ab, weil immer weniger Ketchup zu drücken ist. Und der Ausfluss Flüssigkeit bedeutet, dass die Luft immer mehr Raum hat, sich in der Flasche auszudehnen, wodurch die Antriebskraft im Laufe der Zeit abnimmt.

Das Verständnis der komplizierten Dynamik, warum sich der reibungslose Fluss plötzlich in ein Spritzen verwandelt, begann mit der Vereinfachung des Problems. Cuttle und MacMinn erstellten ein Analogon einer Ketchupflasche, füllten Spritzen (im Grunde Kapillarröhrchen) mit Ketchup und injizierten dann unterschiedliche Luftmengen (von 0 bis vier Milliliter) mit festen Kompressionsraten, um zu sehen, wie sich die Änderung der Luftmenge auf die Durchflussrate auswirkte und ob der Ketchup spritzte. Sie wiederholten die Experimente mit mit Silikonöl gefüllten Spritzen, um die Viskosität und andere Schlüsselvariablen besser kontrollieren zu können.

Physiker aus Oxford injizierten Luft in mit Silikonöl gefüllte Spritzen, um ein mathematisches Modell zum Auspressen von Ketchup aus einer Flasche zu erstellen
Vergrößern / Physiker aus Oxford injizierten Luft in mit Silikonöl gefüllte Spritzen, um ein mathematisches Modell zum Auspressen von Ketchup aus einer Flasche zu erstellen

Universität von Oxford

Das Ergebnis: Die Spritzen mit 1 Milliliter oder mehr eingespritzter Luft produzierten Spritzer. „Dies sagt uns, dass Sie etwas Luft in der Spritze oder Flasche benötigen, um ein Spritzen zu erzeugen und diesen ungleichmäßigen Fluss zu erzeugen“, sagte Cuttle. Dies stellt einen kritischen Schwellenwert für “Saucenspritzer” dar, bei dem das Ketchup in Abhängigkeit von solchen Faktoren wie der Luftmenge, der Kompressionsrate und dem Durchmesser der Düse von einem glatten Fluss zu einem Spritzen übergeht. Unterhalb dieser Schwelle sind die Antriebskraft und der Flüssigkeitsausfluss ausgeglichen, sodass der Fluss gleichmäßig ist. Oberhalb der Schwelle nimmt die Antriebskraft schneller ab als der Abfluss. Die Luft wird überkomprimiert, wie eine aufgestaute Feder, und der letzte Rest Ketchup wird ruckartig herausgepresst.

„Das Spritzen einer Ketchup-Flasche kann bis zu den feinsten Rändern reichen: Selbst ein etwas zu starkes Drücken erzeugt eher ein Spritzen als einen stetigen Flüssigkeitsstrom“, sagte Cuttle. Ein praktischer Tipp ist, langsamer zu drücken und dadurch die Rate zu verringern, mit der die Luft komprimiert wird. Eine Vergrößerung des Düsendurchmessers würde noch mehr helfen, da das Gummiventil am Ausguss die Gefahr von Spritzern erhöhen kann. Zugegeben, die Ventile helfen, Blei zu vermeiden, aber sie zwingen Sie auch, einen gewissen Druck aufzubauen, damit der Ketchup aus der Flasche fließt. Als praktischen Trick empfiehlt Cuttle, den Deckel von der Flasche zu nehmen, wenn sie fast leer ist, und die letzten Ketchup-Stückchen aus dem breiteren Hals zu drücken.

“Es ist gesunder Menschenverstand, aber jetzt gibt es einen rigorosen mathematischen Rahmen, um es zu untermauern”, sagte Cuttle. „Und ein Gas, das eine Flüssigkeit aus dem Weg schiebt, passiert in vielen anderen Zusammenhängen.“ Dazu gehören Grundwasserleiter zum Speichern von eingefangenem Kohlendioxid, bestimmte Arten von Vulkanausbrüchen und das Wiederaufblasen kollabierter Lungen.

DOI: arXiv, 2022. 10.48550/arXiv.2112.12898 (Über DOIs).


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