Wissenschaftler aus Oxford haben herausgefunden, warum Ketchup aus einer fast leeren Flasche spritzt

Hineinzoomen / Die letzten Tropfen Ketchup aus der Flasche zu holen, kann zu unerwarteten Spritzern führen.

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Ketchup ist neben Mayonnaise eines der beliebtesten Gewürze in den USA, aber die letzten Kleckse aus der Flasche zu holen, führt oft zu einem plötzlichen Spritzer. „Es ist nervig, möglicherweise nervig 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 ist laut Cuttle ein 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 Preprint-Papier wurde auf arXiv veröffentlicht und wird derzeit einem Peer-Review unterzogen.

Isaac Newton erkannte die Eigenschaften dessen, was er als „ideale Flüssigkeit“ ansah. Eine dieser Eigenschaften ist die Viskosität, die grob definiert ist als wie viel Reibung/Widerstand es gibt, um in einer bestimmten Substanz zu fließen. Reibung tritt auf, weil ein fließendes Fluid 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 stark von Temperatur und Druck ab: Wasser fließt weiter – d. h. verhält sich wie Wasser – unabhängig von anderen auf es einwirkenden Kräften wie Rühren oder Mischen. In einer nicht-newtonschen Flüssigkeit ändert sich die Viskosität als Reaktion auf eine angelegte Spannung oder Scherkraft und überbrückt somit die Grenze zwischen flüssigem und festem Verhalten. Physiker nennen das gerne „Scherkraft“: Beim Rühren einer Tasse Wasser entsteht eine Scherkraft, das Wasser wird weggeschert. 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, Schleim, Pudding und dicke Tortenfüllung sind weitere Beispiele, zusammen mit Fischschleim. 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
Hineinzoomen / Senf, Ketchup und Mayonnaise sind Beispiele für nicht-newtonsche Flüssigkeiten

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

Wenn nur noch wenig Ketchup in der Flasche ist, müssen Sie viel stärker darauf klopfen, was die Spritzgefahr erhöht. „Am Ende ist viel Luft drin“, sagte Cuttle. „Wenn Sie also drücken, komprimieren Sie Luft in die Flasche, wodurch ein Druck entsteht, der die Flasche zieht [ketchup] out.” Im Inneren der Flasche ist immer mehr Platz für die Luftausdehnung, wodurch die Antriebskraft mit der Zeit abnimmt.

Das Verständnis der komplexen Dynamik, warum eine glatte Strömung plötzlich in Spritzer übergeht, begann mit der Vereinfachung des Problems. Cuttle und MacMinn schufen ein Analogon einer Ketchupflasche, indem sie Spritzen (im Grunde Kapillarröhrchen) mit Ketchup füllten und dann unterschiedliche Luftmengen (von 0 bis 4 Milliliter) bei konstanten Kompressionsraten injizierten, um zu sehen, wie sich die Änderung der Luftmenge auf den Durchfluss auswirkte und ob der Ketchup bespritzt wurde. 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
Hineinzoomen / 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: Spritzen, die 1 Milliliter Luft oder mehr injizieren, produzieren Spritzer. “Das sagt uns, dass Sie etwas Luft in der Spritze oder der Flasche brauchen, um einen Spritzer zu erzeugen und diesen instabilen Strömungsstoß zu erzeugen”, sagte Cuttle. Dies stellt eine kritische “Saucenspritzer”-Grenze dar, wo Ketchup in Abhängigkeit von Faktoren wie Luftvolumen, Kompressionsrate und Düsendurchmesser von einem glatten Fluss zu einem Spritzen übergeht. Unterhalb dieser Grenze 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 wie eine geschlossene Feder überkomprimiert und der letzte Rest Ketchup wird ruckartig herausgepresst.

„Eine Flasche Ketchup zu spritzen, kann am schönsten sein: Wenn man sich auch nur ein bisschen zu stark windet, wird ein Spritzer anstelle eines stetigen Flüssigkeitsstroms erzeugt“, sagte Cuttle. Ein hilfreicher 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 Mund die Spritzgefahr erhöhen kann. Zugegeben, die Ventile helfen, Elektroden zu verhindern, aber sie zwingen Sie auch, einen gewissen Druck aufzubauen, damit der Ketchup aus der Flasche fließt. Als praktisches Hilfsmittel empfiehlt Cuttle, den Verschluss einfach von der Flasche zu entfernen, wenn sie fast leer ist, um 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 zur Speicherung von gebundenem Kohlendioxid, bestimmte Arten von Vulkanausbrüchen und das Wiederaufblasen kollabierter Lungen.

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

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