Ilmselt on paljud lugejad olnud olukorras, kus pooltühjast ketšupipudelist sisu välja pigistades pritsib pudel laua punaseks. Nüüd avavad teadlased selle nähtuse tagamaid. Nad soovitavad pritsmete vältimiseks pigistada pudelit aeglasemalt ja eelistada laiema suuga pudeleid.
Ketšupit, majoneesi ja sinepit lisatakse kõige sagedamini toidule kastmeks. Paraku võib nende pudelist kättesaamine päädida plekkidega laual ja riietel. Nõnda tekkis Oxfordi Ülikooli teadlasel Callum Cuttle’il küsimus, kas pritsmeid saaks kuidagi ennetada. Samuti arutles ta, kas pritsmenähtuse mõistmine aitaks elus lahendada veel muidki küsimusi, vahendab Ars Technica.
Osutus, et mõlemal küsimusel on lühike vastus: jah. Täpsemalt tegi Cuttle koos kolleegi Chris MacMinniga terve rea katseid, et mõista, millised füüsikalised jõud pritsmete tekkes osalevad. Samuti koostasid nad üksikasjaliku ketšupipritsmete teoreetilise mudeli. Nende uuring ootab aga veel sõltumatute teadlaste hinnangut.
Muu hulgas leidsid Cuttle ja MacMinn oma töös, et pritsmeid saab ennetada kahel moel. Esiteks tuleks pudelit pigistada aeglaselt ja teiseks võiks pudeli suu olla praeguste laialt kasutatavate pudelite omast kaks korda laiem. Ühtlasi leidsid nad kriitilise piiri, mille ületamisel hakkab ketšup äkitselt pritsima.
Kas ketšup üldse on vedelik?
Isaac Newton tegi omal ajal kindlaks, millised omadused on nn ideaalsel vedelikul. Üks selle vedeliku omadusi on viskoossus, mis tähendab laias laastus mis tahes aine sisemist hõõrdumist või vastupanu voolamisele.
Hõõrdumine tekib seetõttu, et vedelik koosneb sisuliselt üksteisest mööda libisevatest kihtidest. Mida kiiremini üks kiht üle teise libiseb, seda suurem on takistus, ja vastupidi: mida aeglasemalt kihid teineteisest mööduvad, seda väiksem on takistus.
Tema ideaalvedelikus sõltus viskoossus suuresti temperatuurist ja rõhust: vesi voolab ikka, ükskõik mis jõud seda parasjagu mõjutavad. Kõik vedelikud ei käitu aga nagu Newtoni ideaalvedelik.
Mitte-newtonlikus vedelikus muutub viskoossus siis, kui vedelikku mõjutab tõuke- või nihkejõud – nii hägustub piir vedela ja tahke aine käitumise vahel. Nihkejõud tekib ka tassitäie vee segamisel, kus osa veest nihkub, et teistelt veekihtidelt eest liikuda. Vee viskoossus sel ajal ei muutu. Küll aga muutub nihkejõu mõjul mitte-newtonlike vedelike viskoossus.
Ketšup on mitte-newtonlik vedelik, nagu ka näiteks veri, jogurt, soust, muda, puding ja paksendatud pirukatäidised. Kuigi need kõik ei käitu päris ühtmoodi, ei vasta ükski neist Newtoni ideaalse vedeliku määratlusele.
Näiteks ketšup koosneb vedelikus hulpivast pulbristatud tomati viljalihast. Nii on see pigem pehme tahke aine kui vedelik, osutab uuringuga mitte seotud Melbourne’i Ülikooli teadlane Anthony Strickland.
Ketšupi tahked osad ühinevad ja moodustavad pideva võrgustiku. Selleks, et ketšup voolama panna, tuleb osakeste võrgustiku tugevus mingil moel ületada – tavaliselt raputab või lööb inimene selleks ketšupipudelit. Selle peale väheneb ketšupi viskoossus ja mida suurem on muutus, seda kiiremini ketšup voolab. Näiteks Heinzi laborite teadlased peavad ketšupi optimaalseks voolamiskiiruseks 75 sentimeetrit minutis.
Kui pudeli põhjas on ketšupit alles vaid õige pisut, tuleb pudelit lüüa tugevamini – nii suureneb aga pritsimise oht. Cuttle’i sõnul on pudelis selleks ajaks peamiselt õhk. Kui inimene siis pudelit pigistab, surub ta õhu pudelis kokku. Nii tekib negatiivne rõhk, mis ketšupi pudelist välja tõmbaks.
Pudeli otsak tekitab viskoosset tõmbejõudu, mis kombineerub ketšupi viskoosse vooluga – tasakaal kahe nähtuse vahel määrabki voolukiiruse. Mida tühjemaks saab pudel, seda väiksemaks muutub viskoossus, sest ketšupit, mida välja lükata, on üha vähem. Samuti on siis pudelis üha enam ruumi õhule, mis vähendab omakorda ketšupit liikuma panevat jõudu.
Vajadusel tasub kork maha keerata
Ketšupipritsmete taga peituva dünaamika mõistmiseks lihtsustasid Callum Cuttle ja Chris MacMinn esmalt probleemi. Nad täitsid ketšupiga mõne süstla, tekitades niimoodi ketšupipudelit meenutava olukorra.
Seejärel tõmbasid nad ühe ja sama rõhu juures süstaldesse 0–4 milliliitrit õhku. Nii lootsid nad välja selgitada, kuidas mõjutab õhu hulk pudelis ketšupi voolukiirust ja pritsimist. Kontrolliks täitsid nad süstlad uuesti silikoonõliga, et kontrollida paremini aine viskoossust ja muid tegureid.
Katse näitas, et enam kui ühte milliliitrit õhku sisaldavad süstlad tekitasid ketšupipritsmeid. Cuttle’i sõnul näitab see, et pritsmete tekkimine eeldab pudelis õhu olemasolu.
Samuti leidsid nad kriitilise piiri, mille ületamisel muutub sujuv kastmevool ebaühtlase pritsimise vastu. Kriitiline piir sõltub nii õhu kogusest, sellele avaldatud rõhust kui ka pudelisuu läbimõõdust.
Piirist allpool on kastet liikuma panev jõud ja vedeliku enda väljavool tasakaalus, mis tähendab tasast voolu. Piirist ülalpool väheneb liikuma panev jõud kiiremini kui väljavool. Õhule mõjub siis liiga suur rõhk, umbes nagu kinni jäänud vedru, ning viimane ketšupitilk surutakse pudelist plahvatuslikult välja.
Cuttle’i sõnul taandub ketšupi pritsimine kõige pisematele asjadele: ka pisut liiga tugev pigistus tekitab purtsatuse, mitte tasase vedelikuvoolu. Üks nipp olekski pudelit aeglasemalt pigistada, et õhu kokkusurumise kiirus oleks väiksem.
Veel suurem abi oleks laiemast pudelisuust, sest kummist ventiil pudelisuudmel võib pritsmeohtu hoopis suurendada. Cuttle soovitab peaaegu tühjal pudelil kork üldse maha keerata ja ketšup laiemast pudelikaelast välja pigistada.
Kuigi nõuanded võivad kõlada talupojamõistuslikult, toetab neid Cuttle’i sõnul nüüd ka matemaatika. Olukordi, kus gaas vedelikku eest ära lükkab, tuleb tema sõnul ette mujalgi. Näiteks võib seda täheldada põhjaveekihtides, kus hoitakse kinni püütud süsihappegaasi, teatud tüüpi vulkaanides ja kokkuvajunud kopsude uuesti õhuga täitmisel.
Retsenseerimata teadustöö on leitav võrguvaramust arXiv.
Err.ee
