Cientistas de Oxford desvendam o caso de por que o ketchup respinga de uma garrafa quase vazia

Ketchup é um dos condimentos mais populares nos EUA , junto com a maionese, mas tirar as últimas gotas da garrafa geralmente resulta em respingos repentinos. “É irritante, potencialmente embaraçoso e pode estragar as roupas, mas podemos fazer algo a respeito?” Callum Cuttle, da Universidade de Oxford, disse durante uma coletiva de imprensa no início desta semana em uma reunião da American Physical Society sobre dinâmica de fluidos em Indianápolis, Indiana. “E mais importante, a compreensão desse fenômeno pode nos ajudar com quaisquer outros problemas na vida?”

A resposta para ambas as perguntas, por Cuttle, é um retumbante sim . Junto com seu colega de Oxford, Chris MacMinn, ele conduziu uma série de experimentos para identificar as forças em jogo e desenvolver um modelo teórico para respingos de ketchup. Entre as descobertas mais interessantes: apertar a garrafa mais lentamente e dobrar o diâmetro do bico ajuda a evitar respingos. Há também um limite crítico em que o fluxo de ketchup muda repentinamente de não respingar para respingar. A papel de pré-impressão foi postado no arXiv e está atualmente passando por revisão por pares.

Isaac Newton identificou as propriedades do que ele considerava um “líquido ideal”. Uma dessas propriedades é viscosidade, vagamente definido como quanta fricção/resistência existe para fluir em uma determinada substância. A fricção surge porque um líquido que flui é essencialmente uma série de camadas deslizando umas sobre as outras. Quanto mais rápido uma camada desliza sobre a outra, mais resistência existe, e quanto mais lentamente uma camada desliza sobre a outra, menos resistência existe.

Mas nem todos os líquidos se comportam como o líquido ideal de Newton. No fluido ideal de Newton, a viscosidade depende em grande parte da temperatura e da pressão: a água continuará a fluir — isto é, agirá como a água — independentemente de outras forças agindo sobre ela, como agitação ou mistura. Em um fluido não newtoniano, a viscosidade muda em resposta a uma tensão aplicada ou força de cisalhamento, ultrapassando assim o limite entre o comportamento líquido e sólido. Os físicos gostam de chamar isso de “força de cisalhamento”: mexer um copo d’água produz uma força de cisalhamento, e a água cisalha para sair do caminho. A viscosidade permanece inalterada. Mas a viscosidade de fluidos não newtonianos muda quando uma força de cisalhamento é aplicada.

O ketchup é um fluido não newtoniano. Sangue, iogurte, molho, lama, pudim e recheios de tortas espessas são outros exemplos, junto com o lodo de peixe-bruxa. Eles não são todos exatamente iguais em termos de comportamento, mas nenhum deles adere à definição de Newton de um líquido ideal.

O ketchup, por exemplo, é composto de sólidos de tomate pulverizados suspensos em líquido, tornando-o mais “macio”. sólido” em vez de um líquido, de acordo com Anthony Strickland, da Universidade de Melbourne, na Austrália. Os sólidos se conectam para criar uma rede contínua, e é preciso superar a força dessa rede para fazer o ketchup fluir – normalmente batendo ou batendo na garrafa. Quando isso acontece, a viscosidade diminui e, quanto mais ela diminui, mais rápido o ketchup flui. Cientistas da Heinz calcularam a taxa de fluxo ideal ou ketchup em 0,0045 por hora. Quando resta apenas um pouco de ketchup na garrafa, você precisa bater com mais força, aumentando assim o risco de respingos. “Quando você chega ao fim, muito do que está dentro é ar”, disse Cuttle. “Então, quando você aperta, o que está fazendo é comprimir o ar dentro da garrafa, o que aumenta a pressão que arrasta o [ketchup] para fora.” O bico fornece uma força de arrasto viscosa que contraria o fluxo viscoso do ketchup, e o equilíbrio entre eles determina a taxa de fluxo. À medida que a garrafa esvazia, a viscosidade diminui porque há cada vez menos ketchup para empurrar. E a saída do líquido significa que há cada vez mais espaço para o ar se expandir dentro da garrafa, diminuindo a força motriz ao longo do tempo.

Compreender a dinâmica complicada de por que o fluxo suave muda repentinamente para um splatter começou com a simplificação do problema. Cuttle e MacMinn criaram um análogo de uma garrafa de ketchup, enchendo seringas (basicamente tubos capilares) com ketchup e injetando diferentes quantidades de ar (de 0 a quatro mililitros) em taxas de compressão fixas para ver como a mudança na quantidade de ar afetava a taxa de fluxo e se o ketchup respingou. Eles repetiram os experimentos com seringas cheias de óleo de silicone para controlar melhor a viscosidade e outras variáveis ​​importantes.

O resultado: as seringas com 1 mililitro ou mais de ar injetado produziram respingos . “Isso nos diz que você precisa de um pouco de ar na seringa ou garrafa para gerar um respingo e criar aquela explosão de fluxo instável”, disse Cuttle. Isso constitui um limite crítico de “salpicos de molho” onde o ketchup muda de fluxo suave para respingos, dependendo de fatores como a quantidade de ar, a taxa de compressão e o diâmetro do bocal. Abaixo desse limite, a força motriz e o fluxo de saída do líquido são equilibrados, de modo que o fluxo é suave. Acima do limite, a força motriz diminui mais rapidamente do que o fluxo de saída. O ar fica supercomprimido, como uma mola reprimida, e o último pedaço de ketchup é forçado a sair em uma explosão repentina.

“Os respingos de uma garrafa de ketchup podem atingir as margens mais finas: apertar um pouco demais produzirá respingos em vez de um fluxo constante de líquido” disse Cuttle. Uma dica útil é espremer mais lentamente, reduzindo assim a taxa na qual o ar é comprimido. Aumentar o diâmetro do bico ajudaria ainda mais, pois a válvula de borracha na bica pode aumentar o risco de respingos. Concedido, as válvulas ajudam a evitar leads, mas também o forçam a aumentar uma certa pressão para fazer o ketchup começar a fluir da garrafa. Cuttle recomenda apenas tirar a tampa da garrafa quando ela estiver quase vazia como um truque prático, espremendo os últimos pedaços de ketchup do gargalo mais largo.

“É senso comum, mas agora há uma estrutura matemática rigorosa para apoiá-lo”, disse Cuttle. “E um gás empurrando um líquido para fora do caminho é algo que acontece em muitos outros contextos.” Isso inclui aquíferos para armazenar dióxido de carbono capturado, certos tipos de erupções vulcânicas e reinflar pulmões colapsados.

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