Jak działa słomka? Jak ciasto rośnie? Fizyka rzeczy codziennych

Ciśnienie i grawitacja potrafią w naszym życiu nieźle namieszać i to nie tylko na skalę kosmiczną. Odpowiedzialne są również za tajemnicze procesy, które zachodzą na patelni, w piekarniku oraz w szklance

DLACZEGO NIE WSZYSTKIE ZIARNA KUKURYDZY ZAMIENIAJĄ SIĘ W POPCORN?

Wysuszone ziarno kukurydzy zawiera zarodek, z którego wyrasta nowa roślina, oraz bielmo, które służy jej za pokarm. Bielmo składa się ze skrobi upakowanej w granulki oraz z wody. Gdy ziarna prażą się w gorącym oleju, woda zaczyna zamieniać się w parę. Gorące cząsteczki poruszają się szybciej, więc w miarę podgrzewania się ziaren, śmiga w nich coraz więcej cząsteczek pary wodnej.

Ewolucyjnym zadaniem łuski ziarna kukurydzy jest wytrzymać atak z zewnątrz, ale teraz musi ona stłumić wewnętrzny bunt – działa przez to jak miniszybkowar. Molekuły wody w postaci pary są uwięzione, a brak możliwości ucieczki sprawia, że ich ciśnienie wzrasta. Cząsteczki gazu bezustannie wpadają na siebie nawzajem i na otaczające je ściany, a gdy ich liczba i prędkość rośnie, coraz mocniej uderzają od wewnątrz w łupinę. Szybkowary działają dzięki temu, że gorąca para skutecznie wszystko gotuje – nie inaczej dzieje się wewnątrz prażącej się kukurydzy. Skrobiowe granulki zmieniają się w ściśniętą galaretowatą mamałygę, podczas gdy ciśnienie stale rośnie.

Łuska kukurydzy potrafi wytrzymać duży nacisk, ale tylko do czasu. Gdy temperatura w środku zbliża się do 180°C, a ciśnienie do niemal dziesięciokrotności
zwykłego ciśnienia powietrza, mamałyga jest o krok od eksplozji. Twarda łuska w końcu ustępuje, wnętrze zostaje wystawione na ciśnienie atmosferyczne i nic nie ogranicza już jego objętości. Skrobiowa mamałyga wciąż pełna jest gorących, zderzających się cząsteczek, ale od zewnątrz nic już nie wywiera na nią nacisku. Rozszerza się więc wybuchowo, aż ciśnienie w środku zrówna się z tym na zewnątrz.

Zwarta biała paćka rozpręża się w puszystą białą gąbkę i wywraca na lewą stronę całe ziarno; temperatura spada, co powoduje również stwardnienie. Przemiana
zostaje zakończona. Wysypawszy prażoną kukurydzę z patelni, odkrywam kilka niedobitków – ciemne, opalone ziarna, które nie wybuchły. Jeśli łuska jest uszkodzona, para wodna ucieka w czasie podgrzewania, więc ciśnienie nie rośnie. Powodem, dla którego kukurydza strzela, a inne zboża nie, jest to, że w przypadku tych drugich łupina jest porowata. Istnieje też inna przyczyna braku wybuchów. Jeśli ziarno jest zbyt suche – być może dlatego, że zostało zebrane nie wtedy, kiedy trzeba – nie ma w nim dość wody i ciśnienie nie wzrasta na tyle, aby rozsadzić łuskę.
 

DLACZEGO CIASTO ROŚNIE NA DROŻDŻACH?

Stoję w szkole piekarniczej i uczę się robić focaccię, włoski chleb. Mieszam drożdże z wodą, mąką i solą i wszystko energicznie wyrabiam. Cały czas, gdy rozciągam i rozrywam fizyczną strukturę ciasta, obecne w niej żywe drożdże zajęte są fermentacją cukrów i wytwarzaniem dwutlenku węgla. Gdy pierwszy etap jest za mną, po przyjemnej kąpieli w oliwie ciasto rośnie. Dlaczego tak się dzieje? W każdej reakcji fermentacji drożdże produkują dwie cząsteczki dwutlenku węgla z jednej cząsteczki glukozy.

Dwutlenek węgla jest małą i nielubiącą wchodzić w reakcje cząsteczką, która w temperaturze pokojowej ma dość energii, by unosić się swobodnie jako
gaz. Kiedy dotrze już do bąbelka z wieloma innymi cząsteczkami CO2, przez godziny będzie się z nimi zderzać, jak samochodziki w wesołym miasteczku.
Za każdym razem, gdy wpadnie na inną cząsteczkę, prawdopodobnie dojdzie do wymiany energii, zupełnie jak przy uderzeniu białą bilą w inną bilę. Czasem
pierwsza prawie się zatrzymuje, a druga przejmuje całą jej energię i zostaje wybita z dużą szybkością; czasem energia rozdziela się pomiędzy nie. Za każdym
razem, gdy cząsteczka wlatuje w pełną glutenu ścianę pęcherzyka, odbijając się, naciska na nią. Właśnie przez to bąbelki rosną – gdy do środka dostaje się coraz więcej cząsteczek, ich nacisk
na zewnątrz się powiększa.

Czasem molekuły po zderzeniu ze ściankami poruszają się szybko, a czasem wolno. W temperaturze pokojowej przy ciśnieniu atmosferycznym jedna trzecia z nich porusza się w zakresie 350–500 m/s. Teraz rozciągam pokryte oliwą ciasto i składam je wpół, by złapać w zagięcia powietrze. Kilka godzin później – po ponownym odstawieniu do wyrośnięcia, zagniataniu i wchłonięciu niewyobrażalnej ilości oliwy – moja rodząca się napowietrzona focaccia trafia do gorącego pieca. Ciśnienie w piecu było takie samo jak na zewnątrz, ale temperatura chleba nagle podniosła się z 20°C do 250°C. Dla gazów oznacza to przyspieszenie ruchu cząsteczek. Nieintuicyjne dla nas jest to, że pojedyncze molekuły nie mają własnej temperatury.

 

Gaz – rój cząsteczek – może mieć temperaturę, ale pojedyncze należące do niego cząsteczki już nie. Temperatura gazu to tylko sposób przedstawienia, jak dużo energii ruchu mają średnio owe cząsteczki, ale każda z nich ciągle przyspiesza, zwalnia i wymienia energię w zderzeniach z innymi. Gdy chleb został włożony do pieca, cząsteczki gazu nagle otrzymały o wiele więcej energii cieplnej i przyspieszyły. Średnia szybkość wzrosła do 660 m/s. Ściany bąbelków były więc
rozpychane znacznie mocniej, ale nacisk z zewnątrz się nie zmienił. Każdy z pęcherzyków rozrósł się proporcjonalnie do temperatury, a napierając na ciasto od środka, wymuszał jego puchnięcie. I teraz najlepsze… Pęcherzyki powietrza (głównie azotu i tlenu) rozszerzały się dokładnie tak samo jak pęcherzyki dwutlenku węgla.

Okazuje się, że nie jest ważny rodzaj cząsteczek. Patrząc na upieczony chleb, nikt nie będzie w stanie powiedzieć, które bąbelki były wypełnione CO 2, a które powietrzem. Otaczający je białkowo-węglowodanowy szkielet został upieczony i zastygł. Wielkość bąbelków się ustaliła. Biała puszysta focaccia została zabezpieczona.

JAK DZIAŁA SŁOMKA?

Trąba słonia to sieć mięśni zdolnych do zginania się, podnoszenia i chwytania przedmiotów z niesłychaną zręcznością. Przez całą jej długość ciągną się nozdrza, giętkie rury łączące posapujący koniuszek z płucami. Gdy słoń zanurza trąbę w wodzie, zamyka pysk, a ogromne mięśnie unoszą i rozszerzają jego klatkę piersiową. Gdy płuca się rozdymają, cząsteczki powietrza wewnątrz rozbiegają się, by zająć nową przestrzeń. Ale to znaczy, że u wylotu trąby, w nozdrzach w chłodną wodę uderza mniej cząsteczek powietrza. Teraz to atmosfera wygrywa w przepychance molekuł uderzających wodę w sadzawce z tymi,
które są w ciele zwierzęcia. Nacisk od środka nie daje już rady przeciwstawić się naciskowi z zewnątrz. Woda znalazła się w środku tej rywalizacji. Atmosfera wpycha więc wodę w trąbę słonia, bo powietrze wewnątrz nie ma dość siły, by ją wypchnąć. Kiedy już woda zajmie trochę dodatkowej przestrzeni cząsteczki powietrza w środku są tak ściśnięte, jak były na początku, więc woda nie posuwa się dalej.

Słonie nie mogą pić przez trąby – zakrztusiłyby się tak jak ty, gdybyś spróbował pić przez nos. Gdy więc zwierz ma już w trąbie osiem litrów, przestaje rozszerzać klatkę piersiową. Zawija koniuszek trąby pod siebie i kieruje go do pyska. Używa wtedy mięśni, by ściągnąć żebra i zmniejszyć objętość płuc. Kiedy tylko cząsteczki powietrza w środku są mocniej ściśnięte, powierzchnia wody w połowie długości trąby jest uderzana częściej. Front walki powietrza z zewnątrz i z wewnątrz zaczyna przesuwać się w drugą stronę i woda zostaje w końcu wypchnięta z trąby do pyska.

To samo robimy, wsysając przez słomkę napoje. Gdy rozszerzamy płuca, powietrze wewnątrz nich staje się rzadsze. W słomce mniej cząsteczek powietrza naciska na powierzchnię płynu. Atmosfera napierająca na resztę napoju wciska go do słomki. Nazywamy to ssaniem, ale wcale nie ciągniemy płynu. To atmosfera wpycha go w słomkę i wykonuje pracę za nas.
 

CO MIERZY WAGA?

Przepis na ciasto marchewkowe zaczyna się od polecenia, by przyszykować 200 g mąki pszennej. Wkładam więc do miski trochę mąki i bezpośrednio mierzę, jak mocno Ziemia ją przyciąga. To właśnie robią wagi. Stawia się je na drodze pomiędzy wielką planetą a maleńką miską i mierzy nacisk. Przyciąganie się jakiegoś obiektu z Ziemią jest wprost proporcjonalne do mas ich obu. Ponieważ masa Ziemi się nie zmienia, zależy ono wyłącznie od masy mąki włożonej do miski. Wagi mierzą ciężar, to jest siłę pomiędzy mąką a planetą. Ale ciężar to po prostu masa mąki przemnożona przez wielkość przyspieszenia ziemskiego, które w naszej kuchni jest stałą. Gdy więc mierząc ciężar, zna się tę stałą, da się wyliczyć masę mąki w misce.

Helen Czerski – wykładowczyni z University College London, prowadzi programy w BBC, felietonistka „Focusa” i „Guardiana”.
 

Więcej:fizyka