一些看似不起眼的生活現(xiàn)象，背后卻蘊含著重要的物理知識。
「扭一扭，舔一舔，泡一泡……」這句廣告詞是無數(shù)人童年記憶的一部分。但你有沒有想過，為什么每塊奧利奧扭開之后，里面的奶油都只會粘在一塊餅干上？
這個看似不起眼的現(xiàn)象卻被 MIT 的幾個工程師盯上了。在他們眼里，扭開奧利奧不再是一個簡單的動作，而是一個流變學(xué)問題，即研究非牛頓材料在扭曲、擠壓或其他壓力下是如何流動的。論文第一作者為 MIT 博士生 Crystal E. Owens，主要研究方向為流體力學(xué)、固體力學(xué)、機械設(shè)計和制造的交叉學(xué)科；此外還包括 MIT 機械工程系的本科生范瑞等。「讓奶油均勻地分布在兩塊餅干之間真的很難，」范瑞說道。為了找到這個問題的答案，范瑞所在的研究小組在實驗室對餅干進行了標(biāo)準(zhǔn)的流變學(xué)測試，發(fā)現(xiàn)無論口味或餡料總量如何，奧利奧中心的奶油在扭開時幾乎總是粘在一塊餅干上。只有比較舊的盒里的餅干在扭開時奶油會在兩片薄餅之間分離得較為均勻。
研究人員還測量了扭開奧利奧所需的扭矩，發(fā)現(xiàn)它與轉(zhuǎn)動門把手所需的扭矩相似，約為扭開瓶蓋所需扭矩的 1/10。奶油的破壞應(yīng)力——即讓奶油流動或變形所需的單位面積力——是奶酪和花生醬的兩倍。從奶油對壓力的反應(yīng)來看，研究小組將其質(zhì)地歸類為「糊狀（mushy）」，而不是易碎、堅韌或有彈性。那么，為什么那些奶油會粘在一邊，而不是均勻地分布在兩邊呢？這可能和制作過程有關(guān)系。「制作過程顯示，他們會先將一片餅干放下，然后在上面放一團奶油，最后再把另一片餅干蓋上去。顯然，這一小段時間的延遲可能會使奶油更容易粘在第一片餅干上，」研究復(fù)雜流體屬性的 MIT 機械工程學(xué)院準(zhǔn)博士 Crystal Owens 說。看到這里，你可能覺得這幾位同學(xué)研究這個問題就是為了玩兒，但實際上，他們還想借此機會讓大家了解流變學(xué)這門學(xué)科。為此，他們設(shè)計了一種可以 3D 打印的「奧利奧計」。這是一種簡單的設(shè)備，可以牢牢抓住奧利奧餅干，并使用硬幣和橡皮筋來控制扭力，逐漸將餅干扭開。拆開來看，完整的打印設(shè)計包含兩個前夾具，兩個后夾具，兩個放奧利奧的夾具，底座，一個螺栓，一個螺母，組裝如圖所示。設(shè)備圖紙參見：https://github.com/crystalowens/oreometer/測試完成后，他們還寫了一篇名為《On Oreology, the fracture and flow of 'milk’s favorite cookie》的論文，并發(fā)表在流體力學(xué)權(quán)威期刊 Physics of Fluids 的特刊 Kitchen Flows 上。論文鏈接：https://aip./doi/10.1063/5.0085362從科學(xué)的角度講，夾心餅干是一種平行板流變測量的范式模型，其中流體樣品（奶油）被夾在兩個平行板（餅干）之間。當(dāng)兩塊餅干反向旋轉(zhuǎn)時，奶油會變形、流動并最終破裂，導(dǎo)致奧利奧分成兩塊。雖然奧利奧奶油似乎不具備類似流體的特性，但它被認(rèn)為是一種「屈服應(yīng)力流體」，在足夠的壓力下會開始流動，就像牙膏、某些化妝品和混凝土一樣。Owens 等人將奧利奧放置到流變儀上，探究是否可以控制它。他們將奧利奧固定在流變儀的頂板和底板上，并施加不同程度的扭矩和角度進行旋轉(zhuǎn)，記錄成功將每個餅干扭曲分開對應(yīng)的數(shù)值，并將這些測量值代入方程式，以計算奶油的粘彈性或流動性。對于每個實驗，他們還記錄了奶油的「post-mortem 分布」，即奶油在扭開后最終的位置。研究團隊總共檢查了大約 20 盒奧利奧，包括普通、雙份和超級份的填充物，以及多種口味。令人驚訝的是，他們發(fā)現(xiàn)無論奶油餡料量或風(fēng)味如何，奶油幾乎總是會被分到一塊餅干上。Owens 說：「我們原本以為實驗結(jié)果會和奶油的量有關(guān)，如果層之間有更多的奶油，奶油應(yīng)該更容易分成兩部分。但事實并非如此?！?/span>奇怪的是，當(dāng)他們將每個餅干的結(jié)果映射到盒子中的原始位置時，注意到奶油傾向于粘在面向內(nèi)（inward-facing）的餅干上：盒子左側(cè)的餅干扭曲，奶油最終粘在右側(cè)的威化餅上，而右側(cè)的餅干大部分在左側(cè)的餅干上與奶油分開。他們懷疑這種盒子分布可能是后期制造環(huán)境影響的結(jié)果，例如加熱或推擠等甚至在扭一扭之前就導(dǎo)致奶油從外部餅干上稍微脫落了。從奧利奧奶油的特性中獲得的理解可能會應(yīng)用于其他復(fù)雜流體材料的設(shè)計。她說：「我的 3D 打印流體與奧利奧奶油屬于同一類材料。因此，當(dāng)我嘗試以碳納米管漿液打印柔性電子產(chǎn)品時，從奧利奧中獲得的靈感可以幫助我更好地設(shè)計打印流體，因為它們以幾乎完全相同的方式發(fā)生變形?！?/span>對于這項有趣的奧利奧研究，網(wǎng)友們的評論有贊同，也有不理解。下面這位網(wǎng)友是一所中學(xué)的物理 / 工程老師，ta 想要根據(jù)這項研究的論文創(chuàng)建一門課程。另一位網(wǎng)友則表示，研究者們的好奇心帶給我一天的快樂。不過，也有網(wǎng)友認(rèn)為這項研究「真是個玩笑」，浪費時間和金錢，應(yīng)該把時間花在更有意義的事情上。對此，一作 Crystal Owens 回復(fù)稱，實驗室有時會有停機時間（downtime），做一些有趣的研究很好打發(fā)了我的時間。原文鏈接：https://news./2022/oreometer-cream-0419評論來源：https://www./watch?v=V_gaJ4po_Nw&t=37s
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