فیزیک جریان­ آب کتری‌ها

مدتی است که قصد دارم فیزیک مربوط به جریان­ کتری‌ها و چگونگی تاثیر آن‌ها در هم­زدن (Agitation) حین دم­‌آوری قهوه را بیشتر بررسی کنم. در حال حاضر تهیه ی اطلاعاتی در مورد تاثیرات ارتفاع و سرعت ریزش آب بر دم‌آوری قهوه مشکل است؛ با این حال طبق تجربه­‌‌ی شخصی‌ام، به طور قطع این دو عامل بر قهوه­ دم‌شده‌ تاثیر می­‌گذارند. تعجبی ندارد اگر بگوییم که ریزش بسیار سریع آب باعث ایجاد حفره‌ای در بستر قهوه شده و منجر به مسدود شدن صافی یا عصاره‌گیری نابرابر و در نهایت قهوه‌­ای گس می­‌شود. آنچه که شاید عده‌ای را کمی بیشتر غافلگیر کند، اندازه‌گیری ارتفاع و سرعت ریزش آب است که ثابت نگه داشتن‌شان یکی از عواملی است که برای دم‌آوری‌های قابل تکرار به من کمک کرد.

جدا از تاثیر ارتفاع آب در هر لحظه­ و به دنبال آن تاثیر غیرمستقیم آن بر زمان دم‌آوری، سرعت آبی که بر مایع بینابینی قهوه (Coffee Slurry) می‌ریزد، بر مقدار هم­زدن نوشیدنی و همین طور ایجاد شدن حفره در بستر قهوه نیز تاثیر مهمی می­‌گذارد. اما این موضوع به کتری و ارتفاعی که از آن ریزش انجام می‌شود هم بستگی دارد. به طور خاص، عرض لوله­‌ی خروج آب، مقدار روان بودن جریان آب حین خروج، مقدار عمودی بودن جریان آب و سرعت تکان دادن کتری، همه و همه ویژگی­‌های جریان آب و چگونگی ارتباط آن با مایع بینابینی قهوه را تغییر می­‌دهند.

وقتی یک جریان آب از لوله خارج می­‌شود، به طور معمول نسبتا روان و استوانه‌­ای شکل است. هر نقص کوچکی در نوک لوله، بر شکل جریان آب اثر می­‌گذارد که در شروع ریزش آب زیاد مشخص نیست ولی با ادامه‌ی ریزش و فرود آمدن جریان، نقص آن نیز به تدریج بیشتر می­‌شود. این اتفاق ناشی از ویژگی کشش سطحی مایعات است. مولکول­‌های آب به دلیل قطبی بودن، اندکی یکدیگر را جذب می‌کنند. این قطبی بودن بدین معناست که در نزدیکی اتم اکسیژن اندکی بار منفی و در نزدیکی اتم هیدروژن اندکی بار مثبت وجود دارد.

قطبی بودن یک مولکول آب

شبکه مولکول­‌های آب مرتب شده­‌اند تا بارهای منفی و مثبتی را به صف کنند که در نتیجه‌ی آن پیوند هیدروژنی ایجاد شده و موجب ذات پیوسته‌ی آب می‌شوند.

این بدین معناست که آب اندکی به خودش جذب می­‌شود، ویژگی ای که به آن پیوستگی (Cohesion) می­‌گویند. آب همچنین می­‌تواند مواد دیگر را جذب کند که این ویژگی چسبندگی (Adhesion) نام دارد. آب چسبندگی کمی با هوای محیط دارد و بنابراین سطح آب می­‌تواند مانند یک غشای کشسان رفتار کند. برای مثال با وارد کردن نیرو به آب برای اینکه شکل قطره به خود بگیرد. ما این اثر را کشش سطحی می­‌نامیم و این اتفاق به طور ساده نشان می­‌دهد که آب پیوستگی بیشتری نسبت به چسبندگی با هوا دارد.

تصویری از کشش سطحی. مولکول­‌های آب توسط پیوستگی آب (پیکان‌­های سیاه) به سمت پایین به یکدیگر جذب می‌­شوند، در حالی که چسبندگی بسیار کمی آن‌ها را به سمت بالا و هوا می‌کشد. این باعث می‌شود تا سطح آب مانند یک غشای کشسان رفتار کند.

حال به جریان ناقص آب برگردیم؛ بدلیل کشش سطحی آب، در قسمت‌هایی که جریان، انحنای بیشتری دارد، نیروی درونی اندکی کاهش و نیروی خارجی افزایش خواهند یافت. این اتفاق باعث بیشتر شدن نواقص شده تا زمانی که با چشم قابل رؤیت شود و در ادامه منجر به جریان قطره­ای می­‌شوند. این پدیده “ناپایداری فلات رایلی” (Plateau-Rayleigh Instability) نام دارد و به سادگی می­‌توان توسط ریزش آب به وسیله‌ی یک کتری با فاصله از سینک آن را مشاهده کرد.

تصویری از اثر فلات رایلی که طی آن جریان روان آب اولیه (بالا) به تدریج موجی و در نهایت قطره­‌ای می­‌شود.

معمولا به طولی که این اختلال به اندازه‌ای زیاد شود که جریان یکدست را به قطرات آب تبدیل کند، طول شکست (Breakup Length) جریان آب می­‌گوییم. این طول متاثر از سرعت ریزش و روان بودن لوله‌­ی خروج آب است؛ همان‌طور که می­‌توانید تصور کنید، یک لوله­‌ی خروج آبِ ناهموار­تر، اختلال بیشتری در شکل جریان آب ایجاد کرده و بنابراین طول شکست کوتاه­‌تری خواهد داشت. هرچند که سرعت ریزش بر طول شکست تاثیر مستقیم ندارد؛ در حقیقت برای انواع لوله‌ی خروج آب، حالتی بهینه از سرعت ریزش وجود دارد که در آن طول شکست بسیار بلند بوده، و ریزش چه آهسته‌­تر و چه سریع­تر، باعث کاهش طول شکست می­‌شود.

تصویری از نحوه‌ی جریان و طول شکست به ازای افزایش سرعت ریزش تدریجی (از چپ به راست)، بر اساس یک شبیه­‌ساز

تصویری از طول شکست به عنوان عملکردی از سرعت ریزش، به همراه نحوه‌ی کارکرد مربوط به آن. کتری‌های رایج مختص دم‌آوری نمی‌توانند آنقدر ریزش سریع داشته باشند که القاء باد و فرآیند قطره‌ای شدن بر آنها تاثیر گذار نباشد.

تصمیم گرفتم که این ارتباط را با کتری بروئیستا مدل Artisan 0.6L که برای حدودا یک سال گذشته از آن استفاده کرده‌ام با، و بدون محدودکننده جریان (Flow Restrictor)، ارزیابی کنم. مدتی است که حدس می‌­زدم که کتری‌­های فِلو (Fellow) نسبت به بروئیستا از نظر روان بودن لوله ی خروج آب، عملکرد بهتری دارند و شرکت فِلو متواضعانه پیشنهاد کرد  که مدل Stagg EKG 0.6L را برای من ارسال کند تا مقایسه­‌ای کامل را انجام دهم. در هر مورد، از بالای یک شیشه‌ی بلند که بر روی یک ترازوی Acaia Pearl S که در حالت “سرعت جریان” قرار داشت، ریزش آب را شروع و ارتفاع ریزش آب را درحالی که سرعت آن ثابت بود، به تدریج بیشتر کردم. شنیدن صدای پاشیدن نشان دهنده­‌ی این بود که مدت طول شکست جریان آب با برخورد با سطح آبِ داخل شیشه همزمان است، پس ریزش آب را متوقف کردم و ارتفاع نوک لوله و همین طور ارتفاع آب را اندازه گرفتم. کم کردن این دو مقدار از هم به من اجازه داد تا اندازه مدت طول شکستی که با یک سرعت ریزش مشخص ارتباط دارد را تخمین بزنم. با تکرار این آزمایش با سرعت‌های ریزش متفاوت، توانستم پیش­بینی­‌هایی بر اساس فیزیک را تایید کنم و علاوه بر آن توانستم یک پیشرفت اساسی در طول شکست برای کتری مدل Stagg EKG را نسبت به بروئیستا اندازه‌گیری کنم.

طول شکست اندازه­‌گیری شده به عنوان عملکرد سرعت جریان برای کتری‌های مدل Stagg EKG 0.6L و بروئیستا مدل Astrian 0.6L با و بدون محدود‌کننده جریان. هر کتری سرعتی حدود ۸ g/s داشت که طول شکست را به حداکثر خود می­‌رساند، و کتریِ Stagg EKG 0.6L بدلیل وجود لوله­‌ی خروج روان­‌تر در اکثر سرعت­‌های ریزش، طول شکست بلندتری داشت. اضافه کردن یک محدود‌کننده جریان به کتری بروئیستا، سرعت ریزش بهینه و همچنین بلندترین طول شکست آن را کاهش داد.

زمانی که جریان نرم و روان آب روی مایع بینابینی می‌ریزد، عمق و مقدار هم‌خوردن آن کاملا تغییر می‌کند، به همین دلیل درک‌کردن طول شکست حائز اهمیت می‌باشد. مهندسان از قبل به این جزئیات برای ساختن راکتورهایِ جتِ غوطه‌‌ور پی‌برده­‌اند که هدف آن به حداکثر رساندن میزان واکنش­‌های شیمیایی بین یک گاز و مایع از طریق جریان مایع به یک استخر راکد بود که همراه با خود حباب­‌های گازی نیز ایجاد می‌کرد.

تصویری از یک راکتورِ جتِ غوطه‌‌ور که مایعی پر از حباب‌های گازی در آن گنجانده شده تا تماس سطحی مایع و گاز را به حداکثر رسانده، در نتیجه سرعت واکنش­‌های شیمیایی آن‌ها نیز به حداکثر می‌رسد.

به طور اساسی، هر چه قدر جریانی ناهموارتر به مایع بینابینی فرود آید، حباب­‌های بیشتری هم به درون آن منتقل می­‌شود. از آنجایی که حباب‌های هوا خودشان توسط نیروی شناوری (Buoyancy Force) که آن‌ها را به سمت ­بالا هُل می‌دهد از سرعتشان کاسته می­‌شود، باعث ایجاد اصطکاک با جریان زیر سطح آب می­‌شوند. در عمق و در جایی که آب به قدر کافی آهسته شده‌ است، تنها شناوری به عنوان نیروی عمل‌کننده بر حباب­‌های هوا باقی می‌­ماند و این حباب‌­ها تا سطح آب بالا می‌­روند. این اتفاق می‌­تواند منجر به تلاطم جریان شود که برای عصاره‌گیری قهوه نکته‌ی مثبتی است زیرا تلاطم (Turbulence) در توزیع آب تازه بین تمام ذرات قهوه عالی است و اطمینان حاصل می­‌شود که هیچ ذره­‌ای کم­ عصاره­‌گیری شده باقی نماند.

اگر جریان آب در جایی که فرود می‌­آید به شدت نامنظم باشد، حباب­‌های هوای زیادی به درون مایع بینابینی کشیده می‌­شوند و شکستن بسیار سریع رخ می­‌دهد بطوریکه هم­‌زدن به عمق بستر نخواهد رسید و احتمالا بستر قهوه را دست نخورده باقی می‌گذارد. در شدیدترین حالت خود، ریختن آب از ارتفاعی بیشتر از طول شکست تنها باعث می­‌شود که قطرات کوچک آب روی مایع بینابینی بریزند و هیچ هم­‌زدنی قادر نباشد تا به بستر قهوه رسیده و منجر به عصاره‌گیری متعادل­‌تری ­شود.

تصویری از جریان آشفته با زمینه­‌ی اختلال­‌های رایلی تیلور، شبیه سازی شده توسط Chiel van Heerwaarden

اگر رویکرد مخالفی رو اتخاذ کنیم و تنها با نگه داشتن کتری بالای سطح مایع بینابینی، آب را با سرعت بیشتری بریزیم، جریان بسیار روان خواهد بود و در حالی وارد مایع بینابینی می­‌شود که تقریبا هیچ هوایی به درون آن کشیده نخواهد شد. این بدین معناست که جریان زیر آب قبل از اینکه به بستر قهوه برسد، خیلی کم نمی‌­شود و به جای آن شما با استفاده از جریانی آرام حفره­‌ای درون بستر قهوه ایجاد می­‌کنید. این کار در جدا کردن تمام ذرات قهوه برای عصاره‌گیری یکدست خیلی موثر نیست و در ادامه این حفره مستعد ایجاد یک کانال و بیش ­عصاره‌­گیری مقطعی می‌شود مگر اینکه به چکانه، حرکت دورانی دهید تا بستر قهوه را دوباره صاف کنید.

اکنون که مشاهده کردیم که طول شکست بر هم­‌زدن تاثیر می‌­گذارد، باید واضح­‌تر باشد که برای به دست‌آوردن هم­‌زدنِ متلاطم بستر قهوه، نیاز داریم که جریان آب هنگام ورود به مایع بینابینی، اندکی ناهموار باشد اما نه به مقدار زیاد. اگر جریان بسیار کم باشد باعث جریان­‌های نامتلاطم می‌­شود و اگر جریان بسیار زیاد باشد تنها باعث هم­‌زدن سطح مایع بینابینی می­‌شود. در عمل متوجه شدم که بهترین نتایج زمانی به ارمغان می‌آیند که ارتفاع ریزش را جایی قرار بدهم که طول شکست تنها زیر سطح مایع بینابینی باشد. با ریختن آب تنها مقداری پایین‌تر از نقطه­‌ای که صدای پاشیدن را می‌شنوید همان زمانی که جریان به مایع بینابینی وارد می­‌شود، می­‌توانید به این نتایج برسید. به بیانی دیگر، شما نمی‌­خواهید صدای پاشیدن را بشنوید بلکه می­‌خواهید کمی پایین­‌تر از آن نقطه‌­ای آب را بریزید که صدای آن را خواهید ­شنید.

تصویری از انواع مختلف هم‌زدن در مایع بینابینی قهوه از طریق اشکال مختلف جریان آب.

بر اساس اینکه با چه سرعتی آب را می­‌ریزید و از چه نوع کتری‌ای استفاده می­‌کنید، ارتفاع ریزشی که تقریبا دلیل بوجود آمدن صدای پاشیدن است، متفاوت خواهد بود، زیرا طول شکستِ جریان شما متفاوت است. این عوامل توسط “کیو” در سال ۲۰۱۱ و “بایلر” در سال ۲۰۱۶ در مورد راکتورهای جِت غوطه ور بررسی شدند و در قسمت زیر نشان داده شده‌اند:

عمق هم زدن و انتقال حباب­‌ها به عنوان عملکرد سرعت ریزش. انتخاب سرعت ریزشی که درست زیرِ مایع بینابینی می­‌ریزد، هم‌زدن را به حداکثر می‌­رساند؛ ریزش­‌های بالاتر از آن تنها باعث هم‌زدن سطحی و ریزش­‌های پایین‌­تر باعث جریان­‌های در مایع بینابینی می­‌شوند. بر اساس داده­‌های آزمایشی از “کیو”(۲۰۱۱).

عمق هم‌زدن و انتقال حباب‌ها به عنوان عملکردی از ناهمواری سرلوله‌های آب (ناهمواری لوله‌ی خروج آب در زمینه‌ی دم‌آوری قهوه) و تاثیر سرعت آب بر اساس داده­‌های آزمایشی از “بایلر”.

هر چه طول شکست بلندتر باشد، سرعت جریان آب هم حین وارد‌ شدن به مایع بینابینی بیشتر خواهد بود زیرا زمان بیشتری دارد تا توسط جاذبه شتاب بگیرد. این بدین معناست که انتخاب کردن یک طول شکست بلندتر، منجر به هم­‌خوردنِ عمیق‌تر­ و قوی­‌تر در قهوه‌ی شما خواهد ‌شد. متاسفانه در مورد طول شکست، هیچ مقدار مناسب معینی وجود ندارد. اگر شما طول شکستی بسیار بلند داشته باشید و آب را از ارتفاع بسیار زیادی بریزید (بدون صدای پاشیدن!) در نتیجه ممکن است بستر قهوه­‌ی شما بیش از حد هم بخورد و در انتها باعث مسدود شدن صافی شود، زیرا ذرات بسیار ریز قهوه آسان­‌تر به انتهای مایع بینابینی می­‌روند.

بنا به تجربه، من مایل هستم از طول شکستی بین ۱۸ تا ۱۹ سانتی‌متر استفاده کنم که با استفاده از کتری مدل Stagg EKG 0.6L و سرعت ریزش ۵ g/s و ریختن آب از ارتفاعی دقیقا پایین‌­تر از ارتفاعی که منجر به صدای پاشیدن می­‌شود، به این اندازه دست یافته‌ام. این اندازه با تنظیمات فعلی‌ام به خوبی عمل می­‌کند. اما اگر دستگاه آسیاب شما ذرات ریز بیشتری را بوجود می‌آورد، ممکن است بخواهید از طول شکست کوتاه­‌تری استفاده کنید. گاها با وجود بعضی از قهوه­‌های اتیوپی که به آسانی باعث مسدود شدن انتهای مایع بینابینی ام می‌­شوند، سرعت ریزشم را تا ۳ الی ۴ g/s کاهش می­‌دهم و با وجود بعضی از قهوه­‌های با فرآوری طبیعی از آمریکای جنوبی که به سرعت در آب پایین می­‌روند، سرعت ریزش ام را تا ۶ الی ۷ g/s افزایش می­‌دهم. پیشنهاد می­‌کنم که این­ موارد را با کتری خود آزمایش کنید و سرعت ریزشی که مناسب‌تان است را تعیین کنید.

جزئیات دیگری نیز وجود دارند که بر طول شکست تاثیر می­‌گذارند و ما در مورد آن صحبتی نکرده‌ایم. به طور کلی اینکه چه قدر جریان شما عمودی است، اهمیت دارد. من به این موضوع پی برده‌­ام که اکثر جریان­‌های عمودی که کنترل شان آسان‌­تر است، طول شکست خوبی ارائه می‌دهند و حفره­‌های کمتری در بستر قهوه ایجاد می‌­کنند. برای اینکه تا جای ممکن جریان را عمودی کنید، پیشنهاد می­‌کنم که حین دم­‌آوری کتری را آهسته‌ تر تکان دهید تا جریان مختل نشود و ارتفاع ریزش را تا جایی که می­‌توانید ثابت نگه دارید. یکی از مزیت­‌های داشتن یک کتری با کیفیت این است که به گونه‌­ای طراحی شده­‌اند که “اثر قوری” بر دم‌آوری را به حداقل برسانند. این پدید­ه­‌ای دیگر است که ناشی از کشش سطحی آب بوده و باعث می­‌شود آب، به دیواره بیرونی کتری بچسبد و در نهایت از عمودی بودن جریان بکاهد، خصوصا در زمان­‌هایی که سرعت ریزش آهسته است.

تصویری از “اثر قوری” که باعث می­‌شود جریان آب در سرعت­‌های ریزش کم به سمت کتری خم شود. یک پوشش آبگریز (Hydrophobic Coating )، چسبندگی آب به لوله کتری را کاملا از بین برده و بنابراین اثر قوری کاملا از بین می­‌رود.

می­‌دانم که در این مطلب در مورد موضوعات­ مختلفی صحبت کردم و زمانی که تلاش می‌­کنید تا این اطلاعات را برای روش دم‌آوری خود به کار ببرید، مقداری دشوار است که تمام این متغیرها را در ذهن خود به یاد آورید. برای اینکه کمی به شما کمک کرده باشم، نقشه­‌هایی دوبُعدی از اینکه شما باعث چه مقدار هم‌زدن در مایع بینابینی می‌شوید، طراحی کردم، فارغ از اینکه تا چه حد این هم‌زدن متلاطم یا آرام است. طرح دقیق شما، به کتری‌ای که استفاده می‌کنید بستگی خواهد داشت، اما این طرح‌ها باید ایده‌ای خوب از اینکه چطور امکانات خود را کاوش کنید بدهد. همان طور که گفتم، به شخصه بهترین نتایج را با ریزش دقیقا کمی پایین­‌تر از نقطه صدای پاشیدن که باعث به حداکثر رسیدن تلاطم می­‌شود و پیدا کردن سرعت جریانی که باعث بوجود آمدن مقدار درستِ هم­‌زدن می‌­شود، یافتم تا مانع مسدود شدن و به حداکثر رساندن عصاره‌­گیری یکدست شوم.

تصویری از یک طرح هم‌زدن بر اساس سرعت‌ها و ارتفاع­‌های مختلف ریزش. من معمولا “نقطه­‌ی شیرین”( Sweet Spot) را هدف می‌­گیرم که در آن هم‌زدن متلاطم و محسوس است. زمانی که ارتفاع ریزش کمی کمتر از طول شکست باشد، باعث بوجود آمدن صدای پاشیدن می­‌شود. من بالاترین سرعت ریزش را انتخاب می­‌کنم که منجر به مسدود شدن مایع بینابینی نمی‌­شود؛ به طور معمول این سرعت ۵ g/s می‌باشد.

تصویری از استراتژی ریزش‌ام که بر روی نقشه‌ی هم‌زدن (قبلی) قرار گرفته است. معمولا با ۵ g/s آغاز می­‌کنم و اگر قهوه­‌ی مشخصی بدلیل مقدار کمی ذرات ریز به سرعت پایین برود، سرعت ریزش را بیشتر می­‌کنم و ریزش را با کمی ارتفاع بیشتر انجام می‌­دهم تا طول شکست کمی پایین­تر از سطح مایع بینابینی حفظ شود. از طرف دیگر اگر قهوه­‌ای مقدار نامعقولی ذرات ریز داشته باشد، اندکی ریزش را آهسته‌­تر انجام خواهم داد و ارتفاع ریزش را پایین‌تر تنظیم می­‌کنم تا از صدای پاشیدن جلو­گیری کنم.

منبع:

جاناتان گانیه (می ۲۰۲۰)، کافی آداسترا، فیزیک جریان­ کتری‌ها.