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 نتیجه‌ي 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 8 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 2011 و “بایلر” در سال 2016 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”(2011).
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 18 تا 19 سانتی‌متر استفاده کنم که با استفاده از کتری مدل Stagg EKG 0.6L و سرعت ریزش 5 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 3 الی 4 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 6 الی 7 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 5 g/s می‌باشد.
تصویری از استراتژی ریزش‌ام که بر روی نقشه‌ی همزدن (قبلی) قرار گرفته است. معمولا با 5 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 2020)، کافی آداسترا، فیزیک جریان کتری‌ها.