Le ketchup est l’un des condiments les plus populaires aux États-Unis, avec la mayonnaise, mais le fait de retirer ces quelques dernières cuillerées de la bouteille entraîne souvent des éclaboussures soudaines. « C’est ennuyeux, potentiellement embarrassant et peut gâcher les vêtements, mais pouvons-nous y faire quelque chose ? » Callum Cuttle de l’Université d’Oxford a déclaré lors d’une conférence de presse plus tôt cette semaine lors d’une réunion de l’American Physical Society sur la dynamique des fluides à Indianapolis, Indiana. « Et plus important encore, la compréhension de ce phénomène peut-elle nous aider à résoudre d’autres problèmes de la vie ? »
La réponse aux deux questions, par Cuttle, est un oui retentissant. Avec son collègue d’Oxford, Chris MacMinn, il a mené une série d’expériences pour identifier les forces en jeu et développer un modèle théorique pour les éclaboussures de ketchup. Parmi les découvertes les plus intéressantes : presser la bouteille plus lentement et doubler le diamètre de la buse permet d’éviter les éclaboussures. Il existe également un seuil critique où le flux de ketchup passe soudainement de non éclaboussures à éclaboussures. Un article préimprimé a été publié sur arXiv et est actuellement en cours d’examen par les pairs.
Isaac Newton a identifié les propriétés de ce qu’il considérait comme un « liquide idéal ». L’une de ces propriétés est la viscosité, vaguement définie comme la quantité de frottement/résistance à l’écoulement dans une substance donnée. Le frottement survient parce qu’un liquide qui coule est essentiellement une série de couches glissant les unes sur les autres. Plus une couche glisse rapidement sur une autre, plus il y a de résistance, et plus une couche glisse lentement sur une autre, moins il y a de résistance.
Mais tous les liquides ne se comportent pas comme le liquide idéal de Newton. Dans le fluide idéal de Newton, la viscosité dépend largement de la température et de la pression : l’eau continuera à couler — c’est-à-dire agir comme de l’eau — quelles que soient les autres forces agissant sur elle, comme l’agitation ou le mélange. Dans un fluide non newtonien, la viscosité change en réponse à une contrainte appliquée ou à une force de cisaillement, chevauchant ainsi la frontière entre le comportement liquide et solide. Les physiciens aiment appeler cela une « force de cisaillement »: remuer une tasse d’eau produit une force de cisaillement, et l’eau se cisaille pour s’écarter. La viscosité reste inchangée. Mais la viscosité des fluides non newtoniens change lorsqu’une force de cisaillement est appliquée.
Le ketchup est un fluide non newtonien. Le sang, le yaourt, la sauce, la boue, le pudding et les garnitures de tarte épaissies sont d’autres exemples, ainsi que la bave de myxine. Ils ne sont pas tous identiques en termes de comportement, mais aucun d’entre eux n’adhère à la définition de Newton d’un liquide idéal.
Le ketchup, par exemple, est composé de solides de tomates pulvérisées en suspension dans un liquide, ce qui en fait un « solide mou » plutôt qu’un liquide, selon Anthony Strickland de l’Université de Melbourne en Australie. Les solides se connectent pour créer un réseau continu, et il faut surmonter la force de ce réseau pour faire couler le ketchup, généralement en tapotant ou en frappant la bouteille. Une fois que cela se produit, la viscosité diminue, et plus elle diminue, plus le ketchup coule rapidement. Les scientifiques de Heinz ont fixé le débit optimal ou le ketchup à 0,0045 par heure.
Lorsqu’il ne reste plus qu’un peu de ketchup dans la bouteille, vous devez la frapper encore plus fort, ce qui augmente le risque d’éclaboussures. « Au moment où vous arrivez à la fin, une grande partie de ce qu’il y a à l’intérieur est de l’air », a déclaré Cuttle. « Ainsi, lorsque vous pressez, vous comprimez de l’air à l’intérieur de la bouteille, ce qui crée une pression qui entraîne le [ketchup] La buse fournit une force de traînée visqueuse qui contrecarre le flux visqueux du ketchup, et l’équilibre entre eux détermine le débit. Au fur et à mesure que la bouteille se vide, la viscosité diminue car il y a de moins en moins de ketchup à pousser. de liquide signifie qu’il y a de plus en plus de place pour que l’air se dilate à l’intérieur de la bouteille, ce qui diminue la force motrice au fil du temps.
Comprendre la dynamique compliquée de la raison pour laquelle le flux fluide se transforme soudainement en éclaboussures a commencé par simplifier le problème. Cuttle et MacMinn ont créé un analogue d’une bouteille de ketchup, remplissant des seringues (essentiellement des tubes capillaires) avec du ketchup, puis injectant différentes quantités d’air (de 0 à quatre millilitres) à des taux de compression fixes pour voir comment le changement de la quantité d’air a eu un impact sur le débit. et si le ketchup a éclaboussé. Ils ont répété les expériences avec des seringues remplies d’huile de silicone afin de mieux contrôler la viscosité et d’autres variables clés.
Le résultat : les seringues avec 1 millilitre ou plus d’air injecté produisaient des éclaboussures. « Cela nous indique que vous avez besoin d’un peu d’air dans la seringue ou la bouteille pour générer une éclaboussure et créer ce flux instable », a déclaré Cuttle. Cela constitue un seuil critique « d’éclaboussures de sauce » où le ketchup passe d’un écoulement régulier à des éclaboussures, en fonction de facteurs tels que la quantité d’air, le taux de compression et le diamètre de la buse. En dessous de ce seuil, la force motrice et l’écoulement de liquide sont équilibrés, de sorte que l’écoulement est régulier. Au-dessus du seuil, la force motrice diminue plus vite que le débit. L’air devient surcomprimé, comme une source refoulée, et le dernier morceau de ketchup est expulsé d’un coup.
« Les éclaboussures d’une bouteille de ketchup peuvent se résumer aux marges les plus fines : presser même un peu trop fort produira des éclaboussures plutôt qu’un flux régulier de liquide », a déclaré Cuttle. Une astuce pratique consiste à presser plus lentement, réduisant ainsi la vitesse à laquelle l’air est comprimé. L’élargissement du diamètre de la buse aiderait encore plus, car la valve en caoutchouc au niveau du bec peut exacerber le risque d’éclaboussures. Certes, les valves aident à éviter les plombs, mais elles vous obligent également à accumuler une certaine pression pour que le ketchup commence à couler de la bouteille. Cuttle recommande simplement de retirer le bouchon de la bouteille lorsqu’elle est presque vide comme un hack pratique, en pressant les derniers morceaux de ketchup hors du goulot plus large.
« C’est du bon sens, mais il existe maintenant un cadre mathématique rigoureux pour le sauvegarder », a déclaré Cuttle. « Et un gaz poussant un liquide à l’écart est quelque chose qui se produit dans de nombreux autres contextes. » Cela inclut les aquifères pour stocker le dioxyde de carbone capturé, certains types d’éruptions volcaniques et le regonflement des poumons effondrés.
DOI : arXiv, 2022. 10.48550/arXiv.2112.12898 (À propos des DOI).
