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.
Wszyscy kochamy frytki. A frytki z keczupem to niebo w gębie. Jednak ciężko go wycisnąć dokładnie tyle, na ile mamy ochotę. Czy zastanawiały cię kiedyś dziwne właściwości keczupu? Wyobraź sobie butelkę wypełnioną ciałem stałym, jak stal. Nie by się nie dało wytrząsnąć. Z butelki wypełnionej wodą wylalibyśmy wszystko z łatwością. A co z keczupem? Jest stały czy płynny? To zależy. Płyny takie jak woda, olej, alkohol wykazują liniową zależność naprężenia od prędkości. Przy działaniu 2 razy większej siły są 2 razy szybsze. Relację tę zaproponował Izaak Newton, stąd nazywamy je płynami newtonowskimi. Keczup jednak należy do płynów nienewtonowskich, które nie zachowują tego prawa. Majonez, pasta do zębów, krew, farba, masło orzechowe wykazują zależność nieliniową. Ich gęstość zmienia się w zależności od siły, długości i prędkości nacisku. Keczup jest nienewtonowski z dwóch powodów. Po pierwsze, im mocniej naciskasz, tym wydaje się rzadszy. Poniżej pewnej siły nacisku keczup zachowuje się jak ciało stałe. Po przekroczeniu punktu krytycznego robi się tysiąc razy rzadszy. Brzmi znajomo, prawda? Po drugie: przy nacisku z siłą poniżej siły progowej keczup w końcu zacznie wypływać. Wówczas, to nie siła, ale czas odgrywa rolę w wyciskaniu keczupu z butelki. Dlaczego keczup zachowuje się tak dziwnie? Powstaje ze sproszkowanych, zmiażdżonych, kompletnie startych pomidorów. Widzicie te małe drobinki? To pozostałości po komórkach pomidorów po przetworzeniu na keczup. Płyn wokół cząsteczek to głównie woda, ocet, cukier i przyprawy. Jeśli keczup leży na półce, drobinki pomidorów są rozmieszczone równomiernie. Jeśli szybko i delikatnie naciśniemy na butelkę, cząsteczki zderzą się ze sobą, ale że nie mogą się wyminąć, keczup nie wycieknie z butelki. Szybki i mocny nacisk wystarczy, żeby zgnieść drobinki, i z małych kulek zmienią się w elipsy. To daje więcej miejsca, cząsteczki mogą się mijać i keczup wycieka. Nie do końca wiemy, co dzieje się, gdy nacisk jest delikatny i trwa dłużej. Możliwe, że drobinki przy ścianie pojemnika powoli zsuwają się do środka, zostawiając zawiesinę, w której zostały rozpuszczone, właściwie wody, blisko krawędzi. Woda służy jako smar między szklaną butelką a zatyczką i keczup wycieka. Według innej teorii, drobinki reorganizują się w małe grupy, które potem przepływają obok siebie. Naukowcy, którzy badają przepływ płynów, wciąż rozważają, jak działa keczup i jemu podobne. Zasadniczo, keczup rzednie im mocniejszy nacisk, ale inne substancje, jak masło orzechowe, gęstnieją przy mocniejszym nacisku. Jeszcze inne pną się po obrotowym pręcie, lub same wylewają się ze zlewki. Jednak z perspektywy fizyki, keczup jest najbardziej skomplikowaną miksturą. Ponadto, balans składników i obecność naturalnych zagęstników, np. gumy ksantanowej, występującej w owocach i napojach mlecznych, oznacza, że dwa różne keczupy mogą zachowywać się inaczej. Większość jednak ma dwie właściwości: nagłe gęstnienie przy nacisku o sile progowej i stopniowe gęstnienie przy słabym i długim nacisku. Można więc wycisnąć keczup na dwa sposoby: albo potrząsać butelką wolno i długo, naciskając z tą samą siłą, albo wstrząsnąć butelką raz, ale mocno. Prawdziwi profesjonaliści wstrząsają zakręconą butelką, by rozruszać drobinki i dopiero wtedy ją odkręcają, by dokładnie rozprowadzić keczup na porcji frytek.