French fries are delicious. French fries with ketchup are a little slice of heaven. The problem is it's basically impossible to pour the exactly right amount. We're so used to pouring ketchup that we don't realize how weird its behavior is. Imagine a ketchup bottle filled with a straight up solid like steel. No amount of shaking would ever get the steel out. Now imagine that same bottle full of a liquid like water. That would pour like a dream. Ketchup, though, can't seem to make up its mind. Is it is a solid? Or a liquid? The answer is, it depends. The world's most common fluids like water, oils and alcohols respond to force linearly. If you push on them twice as hard, they move twice as fast. Sir Isaac Newton, of apple fame, first proposed this relationship, and so those fluids are called Newtonian fluids. Ketchup, though, is part of a merry band of linear rule breakers called Non-Newtonian fluids. Mayonnaise, toothpaste, blood, paint, peanut butter and lots of other fluids respond to force non-linearly. That is, their apparent thickness changes depending on how hard you push, or how long, or how fast. And ketchup is actually Non-Newtonian in two different ways. Way number one: the harder you push, the thinner ketchup seems to get. Below a certain pushing force, ketchup basically behaves like a solid. But once you pass that breaking point, it switches gears and becomes a thousand times thinner than it was before. Sound familiar right? Way number two: if you push with a force below the threshold force eventually, the ketchup will start to flow. In this case, time, not force, is the key to releasing ketchup from its glassy prison. Alright, so, why does ketchup act all weird? Well, it's made from tomatoes, pulverized, smashed, thrashed, utterly destroyed tomatoes. See these tiny particles? This is what remains of tomatoes cells after they go through the ketchup treatment. And the liquid around those particles? That's mostly water and some vinegar, sugar, and spices. When ketchup is just sitting around, the tomato particles are evenly and randomly distributed. Now, let's say you apply a weak force very quickly. The particles bump into each other, but can't get out of each other's way, so the ketchup doesn't flow. Now, let's say you apply a strong force very quickly. That extra force is enough to squish the tomato particles, so maybe instead of little spheres, they get smushed into little ellipses, and boom! Now you have enough space for one group of particles to get passed others and the ketchup flows. Now let's say you apply a very weak force but for a very long time. Turns out, we're not exactly sure what happens in this scenario. One possibility is that the tomato particles near the walls of the container slowly get bumped towards the middle, leaving the soup they were dissolved in, which remember is basically water, near the edges. That water serves as a lubricant betwen the glass bottle and the center plug of ketchup, and so the ketchup flows. Another possibility is that the particles slowly rearrange themselves into lots of small groups, which then flow past each other. Scientists who study fluid flows are still actively researching how ketchup and its merry friends work. Ketchup basically gets thinner the harder you push, but other substances, like oobleck or some natural peanut butters, actually get thicker the harder you push. Others can climb up rotating rods, or continue to pour themselves out of a beeker, once you get them started. From a physics perspective, though, ketchup is one of the more complicated mixtures out there. And as if that weren't enough, the balance of ingredients and the presence of natural thickeners like xanthan gum, which is also found in many fruit drinks and milkshakes, can mean that two different ketchups can behave completely differently. But most will show two telltale properties: sudden thinning at a threshold force, and more gradual thinning after a small force is applied for a long time. And that means you could get ketchup out of the bottle in two ways: either give it a series of long, slow languid shakes making sure you don't ever stop applying force, or you could hit the bottle once very, very hard. What the real pros do is keep the lid on, give the bottle a few short, sharp shakes to wake up all those tomato particles, and then take the lid off and do a nice controlled pour onto their heavenly fries.
フライドポテトは美味しいですね ケチャップをつけたら もう最高 でも問題はボトル入りのケチャップは 必要な量だけ出せないこと ケチャップを出すのには慣れてしまって その不思議な性質に気づきません ビンの中身が 鉄の塊ような固体だったら いくら振っても鉄は出てきませんね でも同じビンに入っているのが 水のような液体なら 注ぐのは まるで夢のように簡単 しかしケチャップは 決めかねているよう 一体 固体なのか? 液体なのか? その答えは 場合によりけりです ごく一般的な液体 水、油、アルコールなどは 加えた力に比例して反応します 2倍強く押せば 2倍速く動きます この関係を見抜いたのは リンゴの逸話で有名な アイザック・ニュートン卿なので ニュートン流体と呼ばれます しかしケチャップは 比例関係に従わないグループに属し 非ニュートン流体と呼ばれます マヨネーズ、歯磨き粉、血液、ペンキ、 ピーナツバターや 他にも多くの流体が力に対し 比例的に反応しません これらの流体の見かけの粘性は どれだけ強く 長く 速く押したかに 依存します 実は ケチャップは2つの意味で 非ニュートン的なのです 1つ目:ケチャップは 加える力が強いほど流れやすくなります 一定の力以下では 基本的に固体のように振舞います しかし 限界点を超えると 突然 粘性を失い 桁違いに流れやすくなります 経験ありますね? 2つ目は: 加わる力が この限界点以下でも いずれは ケチャップは流れ始めます この場合 力ではなく時間が ガラスの牢獄に閉じ込められたケチャップを 解放する重要な要素なのです ケチャップは なぜこうも奇妙に 振舞うのでしょう ケチャップは 細かく砕いてつぶされた 完全に粉々のトマトから できています 小さな粒子が見えますか? これがケチャップ製造工程で残った トマトの細胞です 粒子を取り巻く液体は何でしょう? 大半は水で 酢、砂糖と香辛料が含まれます ケチャップが静かに留まった状態では トマトの粒子は均一に しかも ランダムに散らばっています さて 素早く弱い力を加えてみましょう 粒子はお互いにぶつかり合い 邪魔しあって 通り抜ける事ができず ケチャップは流れることができません 今度は強い力を一気に加えてみましょう 十分な力がトマトを押しつぶし 小さな球ではなく 楕円状になって ブン! 粒子の集団は十分な空間を得て 間を通り抜け ケチャップは流れます 次に僅かな力をとても長い時間 与え続けてみましょう この場合 何が起こっているのか 正確には分っていません 一つの可能性は 容器の壁付近にあるトマトの粒子が 真ん中付近にゆっくりと押し寄せられ 粒子を溶かしていた液体が― これは主に水でしたね― 端っこ付近に残され この水がビン中心部の ケチャップの塊との間で 潤滑剤として機能するので ケチャップはうまく流れるというものです もう一つの可能性は 粒子同士が小さな塊となり散らばって 互いに通りやすくなるというものです 流体の流れを研究する 科学者たちは 今もなお― ケチャップやその仲間の流れについて 精力的に研究しています ケチャップは力を加えるほど 流れやすくなりますが ウーブレック(水溶き片栗粉)や 純粋なピーナツバターなどの物質では 力が加わるほど硬くなっていきます 回転する棒の表面を上ったり 一旦流れが始まると ビーカーから 流れ出し続ける流体もあります でも 物理学的な観点からは ケチャップはその中でも 特に複雑な混合物です さらに ややこしいことに 各種含有物と 多くのフルーツ飲料や ミルクシェークに含まれる キサンタンガムのような天然増粘剤の 割合によって 異なる種類のケチャップは 全く異なる挙動を示すことです でも その多くは2つの特徴を示します ある力を超えると 突然流れやすくなることと 弱い力でも長い時間 かけると 徐々に流れやすくなることです つまり ケチャップをボトルから 出す方法は2つ 時間をかけて そっと容器を振ることです でも 力を加え続けることが大切です もしくは 容器に力を一気に加えます でも玄人はふたをしたまま 容器を何回か さっと強く振って トマト粒子を眠りから覚まし それから ふたを取って 適量をうまく おいし~い ポテトにかけています