咖啡也科學| 原來製作分層拿鐵還需要了解這麼多物理學知識!

咖啡已經風靡全球,氮氣咖啡、冷萃咖啡、手衝咖啡等新式咖啡層出不窮,星巴克每年在美國都要賣出超過170萬杯咖啡……但有一種咖啡如今正在悄然興起,那便是分層拿鐵!
製作分層拿鐵並不復雜,但你知道為什麼咖啡會分層嗎?來自《New York Times》的 Joanna Klein 就為此專門採訪了多位物理學家,試圖找出其中的答案。

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Klein 表示,製作普通拿鐵,需要將打發牛奶倒入意式濃縮咖啡當中。但如果順序顛倒,將咖啡緩緩倒入牛奶當中,咖啡便會出現分層。前工程師 Bob Fankhauser 就曾在家中偶然實現了咖啡分層,他對這一現象背後的原理非常感興趣。

他立即將製作咖啡的視頻寄給了他的好友,Princeton 大學流體動力學將是Howard Stone。Stone 在看後在也頗為驚訝,並開始和他的學生Nan Xue一起研究分層拿鐵的物理學原理。此後,他們還在《Nature Communications》 雜誌上發表了他們的研究成果。“這種現象真的非常有趣。”Fankhauser表示,“液體本不應該根據密度自然分層。”

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在實驗過程中,Xue為了一探究竟,開始在實驗室裡自己親手製作咖啡。通過分析溫度和流速,Xue 認為這種現像是可以用物理學原理解釋清楚的。為此,研究團隊決定用染色、帶有示踪粒子的熱水來模仿意式濃縮咖啡,用密度相當的鹽水代替牛奶,並用 LED 將液體點亮,使用激光記錄兩種液體混合的過程。

實驗過程中,團隊發現這種現像類似於海水分層,被稱為“雙擴散對流”現象。在這一現像中,當不同溫度和密度的液體混合時,例如熱咖啡和牛奶,兩種液體不會立即融合在一起,只有接觸面的少量液體會發生融合:較熱液體會加熱少量較冷、密度較大液體(即牛奶),導致其略微浮起;較冷、密度較大液體則會冷卻少量較熱、密度較小液體(即咖啡),導致其略微下沉。這一過程會產生“對流圈”,對流圈只會水平移動,而非垂直移動(若垂直移動則會破壞分層效果),從而產生色帶。這一現像一旦產生,便會非常穩定,可持續數小時甚至數天,只要保證溶液溫度比外界空氣溫度更高即可。

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但想要製作分層拿鐵,就不僅僅是將咖啡倒入牛奶那麼簡單。研究顯示,倒咖啡的速度也非常重要。倒的太滿,咖啡與牛奶會過度融合,導致無法產生分層。

作者 : Jason Daley
英文原文地址 :  http://www.smithsonianmag.com/smart-news/physics-behind-layers-your-latte-180967546/

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