Oxford-Wissenschaftler enthüllen, 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 wenn man die letzten Kleckse aus der Flasche holt, kommt es oft zu einem plötzlichen Spritzer. „Es ist lästig, möglicherweise unbequem und kann Kleidung ruinieren, aber können wir etwas dagegen tun?“, sagte Calum Cuttle von der University of Oxford während einer Pressekonferenz Anfang dieser Woche auf dem Treffen der American Physical Society on Fluid Dynamics 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 McMinn führte er eine Reihe von Experimenten durch, um die wirkenden Kräfte zu identifizieren und ein theoretisches Modell für das Sprühen von Ketchup 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, bei der der Ketchupfluss plötzlich von nicht dispergierend zu dispergierend wechselt. Ein Preprint-Papier wurde auf arXiv veröffentlicht und wird derzeit von Experten begutachtet.

Isaac Newton identifizierte 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 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 eine ideale Newtonsche Flüssigkeit. In einer idealen Newtonschen Flüssigkeit hängt die Viskosität stark von Temperatur und Druck ab: Das Wasser fließt weiter – d.h. verhält sich wie Wasser – unabhängig von anderen darauf einwirkenden Kräften wie Rühren oder Mischen. In einer nicht-newtonschen Flüssigkeit ändert sich die Viskosität als Reaktion auf eine angelegte Spannung oder Scherkraft und überschreitet somit die Grenze zwischen flüssigem und festem Verhalten. Physiker nennen dies gerne eine „Scherkraft“: Das Rühren eines Glases Wasser erzeugt eine Scherkraft, und das Wasser wird geschert, um sich aus dem Weg zu bewegen. 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 Kuchenfüllungen sind weitere Beispiele, zusammen mit Schleim von Meeresfischen. 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 festen Partikel verbinden sich zu einem kontinuierlichen Netzwerk, und man muss die Kraft dieses Netzwerks überwinden, um das Ketchup zum Fließen zu bringen – normalerweise durch Klopfen oder Klopfen auf die 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 mit 0,0045 pro Stunde ermittelt.

Wenn nur noch wenig Ketchup in der Flasche ist, müssen Sie viel stärker schlagen, wodurch die Gefahr von Spritzern steigt. „Am Ende ist viel Luft drin“, sagte Cuttle. „Wenn Sie also drücken, komprimieren Sie die Luft in der Flasche, wodurch ein Druck entsteht, der zieht [ketchup] heraus.“ Die Düse liefert eine viskose Widerstandskraft, die dem viskosen Fluss des Ketchups entgegenwirkt, und das Gleichgewicht zwischen den beiden bestimmt die Durchflussrate. Wenn sich die Flasche leert, nimmt die Viskosität ab, weil immer weniger Ketchup herausgedrückt werden muss. Und Auslaufende Flüssigkeit bedeutet, dass die Luft in der Flasche immer mehr Platz zum Ausdehnen hat, wodurch die Antriebskraft mit der Zeit abnimmt.

Das Verständnis der komplexen Dynamik, warum sich ein glatter Fluss plötzlich in ein Spritzen verwandelt, beginnt mit der Vereinfachung des Problems. Cuttle und McMinn schufen ein Analogon einer Ketchupflasche, indem sie Spritzen (im Wesentlichen Kapillarröhrchen) mit Ketchup füllten und dann unterschiedliche Luftmengen (von 0 bis 4 Milliliter) bei festen Kompressionsgraden injizierten, um zu sehen, wie sich die Änderung der Luftmenge auf den Fluss auswirkte Rate und ob der Ketchup gespritzt ist. 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 Oxford

Die Folge: Spritzen mit 1 Milliliter oder mehr eingespritzter Luft verursachen Spritzer. „Dies sagt uns, dass Sie etwas Luft in der Spritze oder Flasche benötigen, um Spray zu erzeugen und diesen instabilen Flussstoß zu erzeugen“, sagte Cuttle. Dies stellt eine kritische “Saucenspritzer”-Schwelle dar, bei der Ketchup in Abhängigkeit von Faktoren wie Luftvolumen, Verdichtungsverhältnis und Düsendurchmesser vom gleichmäßigen Fließen zum Spritzen übergeht. Unterhalb dieser Schwelle sind die Antriebskraft und der Flüssigkeitsausfluss ausgeglichen, so dass der Fluss glatt ist. Oberhalb der Schwelle nimmt die Antriebskraft schneller ab als der Abfluss. Die Luft wird superkomprimiert, wie eine komprimierte Feder, und der letzte Rest Ketchup wird plötzlich herausgedrückt.

„Das Spritzen einer Ketchup-Flasche kann zu den feinsten Rändern führen: Selbst ein wenig zu starkes Zusammendrücken führt zu einem Spritzer, nicht zu einem stetigen Flüssigkeitsstrom“, sagte Cuttle. Ein hilfreicher Tipp ist, langsamer zu drücken und dadurch die Geschwindigkeit zu verringern, mit der die Luft komprimiert wird. Eine Erweiterung des Düsendurchmessers würde noch mehr helfen, da das Gummiventil am Ausguss die Spritzgefahr erhöhen kann. Die Ventile helfen natürlich, Zugluft zu vermeiden, aber sie zwingen dich auch dazu, einen gewissen Druck aufzubauen, damit der Ketchup aus der Flasche fließt. Als praktischen Trick empfiehlt Cuttle, den Deckel einfach von der Flasche zu entfernen, wenn sie fast leer ist, und die letzten Ketchup-Stücke aus der breiteren Öffnung herauszudrücken.

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

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

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