Ingenieros del MIT presentan el oreómetro | Noticias del MIT



Cuando abres una galleta Oreo para llegar al centro cremoso, estás imitando una prueba estándar en reología: el estudio de cómo fluye el material no newtoniano cuando se tuerce, aprieta o se estresa de otra manera. Los ingenieros del MIT ahora han sometido el sándwich de galleta a rigurosas pruebas de materiales para llegar al centro de una pregunta tentadora: ¿por qué la crema de la galleta se adhiere a una sola oblea cuando se retuerce?

«Existe el intrigante problema de tratar de distribuir uniformemente la crema entre las dos rebanadas, lo que resulta muy difícil», dice Max Fan, estudiante de pregrado en el Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT.

En busca de una respuesta, el equipo sometió las galletas a pruebas de reología estándar en el laboratorio y descubrió que, sin importar el sabor o la cantidad de relleno, la crema en el centro de una Oreo casi siempre se pega a una ampolla cuando se abre. Solo con latas de galletas más viejas, la crema a veces se separa de manera más uniforme entre las dos obleas.

Los investigadores también midieron el par necesario para abrir una Oreo y encontraron que era similar al par necesario para girar el pomo de una puerta y aproximadamente 1/10 de lo que se necesita para abrir la tapa de una botella. La tensión de ruptura de la crema, es decir, la fuerza por área necesaria para hacer que la crema fluya o se deforme, es el doble que la del queso crema y la mantequilla de maní, y aproximadamente de la misma magnitud que la mozzarella. A juzgar por la respuesta de la crema al estrés, el equipo clasifica su textura como «blanda», en lugar de quebradiza, dura o gomosa.

Entonces, ¿por qué la crema de la galleta está glomificada en un lado en lugar de distribuirse uniformemente entre los dos? El proceso de fabricación puede ser el culpable.

«Los videos del proceso de fabricación los muestran colocando la primera oblea, luego dispensando una cucharada de crema en esa oblea antes de colocar la segunda oblea encima», dice Crystal Owens, estudiante de doctorado en ingeniería mecánica del MIT que estudia las propiedades de los fluidos complejos. . «Aparentemente este pequeño retraso puede hacer que la crema se adhiera mejor a la primera almohadilla».

El estudio del equipo no es solo una dulce diversión de la investigación básica; es también una oportunidad para hacer accesible a otros la ciencia de la reología. Con ese fin, los investigadores diseñaron un «oreómetro» imprimible en 3D, un dispositivo simple que agarra firmemente una galleta Oreo y usa centavos y bandas elásticas para controlar la fuerza de torsión que gira gradualmente la galleta para abrirla. Las instrucciones para el dispositivo de sobremesa se pueden encontrar aquí.

El nuevo estudio, «Sobre la oreología, la fractura y el flujo de la ‘galleta favorita de la leche'», aparece hoy en flujo de cocinaun número especial de la revista física de fluidos. Fue diseñado al comienzo de la pandemia de Covid-19, cuando los laboratorios de muchos científicos estaban cerrados o eran de difícil acceso. Además de Owens y Fan, los coautores son los profesores de ingeniería mecánica Gareth McKinley y A. John Hart.

Realización de conexiones

Una prueba estándar en reología coloca un fluido, suspensión u otro material fluido en la base de un instrumento llamado reómetro. Se puede bajar una placa paralela sobre la base sobre el material de prueba. Luego, la placa se tuerce mientras los sensores rastrean la rotación y el par aplicado.

Owens, que usa regularmente un reómetro de laboratorio para probar materiales fluidos como tintas imprimibles en 3D, no pudo evitar notar una similitud con las galletas sándwich. Como ella escribe en el nuevo estudio:

“Científicamente, las galletas sándwich exhiben un modelo paradigmático de reometría de placas paralelas en el que una muestra fluida, la crema, se mantiene entre dos placas paralelas, las obleas. Cuando las obleas giran en sentido contrario, la crema se deforma, se escurre y finalmente se fractura, lo que hace que la galleta se separe en dos partes.

Aunque la crema Oreo puede parecer que no posee propiedades de fluidez, se considera un «líquido de punto de fluencia»: un sólido blando cuando no se lo altera que puede comenzar a fluir bajo suficiente estrés, como lo hacen la pasta de dientes, el glaseado, algunos cosméticos y el concreto.

Curioso si otros habían explorado la conexión entre Oreo y la reología, Owens encontró una mención de un estudio de la Universidad de Princeton de 2016 en el que los físicos informaron por primera vez que, de hecho, cuando se torcía la Oreo a mano, la crema casi siempre se despegaba en una oblea.

«Queríamos basarnos en eso para ver qué es lo que realmente está causando este efecto y si podemos controlarlo si montamos con cuidado las Oreos en nuestro reómetro», dice ella.

giro de galleta

En un experimento que repetirían para varias galletas de diferentes rellenos y sabores, los investigadores pegaron una Oreo a las placas superior e inferior de un reómetro y aplicaron diversos grados de torsión y rotación angular, anotando los valores que lograron romper cada galleta. . . Incorporaron las medidas en ecuaciones para calcular la viscoelasticidad o fluidez de la crema. Para cada experimento, también anotaron la «distribución post-mortem» de la crema, o dónde terminó la crema después de abrirse.

En total, el equipo revisó unas 20 cajas de Oreos, incluidos los niveles de llenado regulares, Double Stuf y Mega Stuf, y los sabores regulares de chocolate amargo y obleas «doradas». Sorprendentemente, descubrieron que, independientemente de la cantidad de crema o el sabor, la crema casi siempre se separaba en una sola oblea.

“Esperábamos un efecto basado en el tamaño”, dice Owens. “Si hubiera más crema entre las capas, debería ser más fácil deformar. Pero ese no es realmente el caso. »

Curiosamente, cuando asignaron el resultado de cada galleta a su posición original en la caja, notaron que la crema tendía a adherirse a la oblea que miraba hacia adentro: las galletas del lado izquierdo de la caja se torcieron para que la crema terminara en la oblea derecha, mientras que las galletas del lado derecho se separaron con crema principalmente en la oblea izquierda. Sospechan que esta distribución de cajas puede ser el resultado de los efectos ambientales posteriores a la fabricación, como el calentamiento o los empujones, que pueden hacer que la crema se desprenda ligeramente de las obleas exteriores, incluso antes de torcerse.

La comprensión de las propiedades de la crema Oreo podría aplicarse potencialmente al diseño de otros materiales fluidos complejos.

«Mis fluidos de impresión 3D están en la misma clase de materiales que la crema Oreo», dice ella. «Entonces, esta nueva comprensión puede ayudarme a diseñar mejor la tinta cuando intento imprimir componentes electrónicos flexibles a partir de una suspensión de nanotubos de carbono, porque se deforman casi exactamente de la misma manera».

En cuanto a la galleta en sí, sugiere que si el interior de las obleas Oreo tuviera más textura, la crema podría adherirse mejor a ambos lados y dividirse más uniformemente cuando se retuerza.

«Tal como está, descubrimos que no había ningún truco de torsión que pudiera dividir la crema de manera uniforme», concluye Owens.

Esta investigación fue financiada, en parte, por el programa UROP del MIT y el Programa de Becas para Graduados en Ingeniería y Ciencias de la Defensa Nacional.

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