Марти Джопсон
Всё о науке за 60 минут
Кулинария в союзе с наукой
Одно из самых главных удовольствий в жизни для меня – это приготовление пищи, поэтому вы вряд ли удивитесь, если я скажу, что являюсь большим поклонником кухонных гаджетов. Мои кухонные шкафы и ящики забиты всевозможной посудой и приборами, какие-то из них полезные, другие – не очень. Самый большой и эффектный прибор на моей кухне – индукционная плита. Мне кажется, это чудо техники пришло к нам прямо из вселенной «Звездного пути» или другой научно-фантастической космической оперы по вашему выбору. Поверхность для приготовления пищи представляет собой абсолютно гладкий черный керамический лист, лишенный каких-либо ТЭНов[10] – традиционных средств получения тепла. Тем не менее, если я поставлю на него кастрюлю с водой и поверну цифровой диск, то мгновенно создам тепло и вода начнет кипеть в считаные секунды. Однако вы поймете, насколько это невероятно, лишь когда снимете кастрюлю с кипящей водой и при этом ненароком положите руку на плиту (если только вы не держали на выключенной плите кастрюлю с кипятком слишком долго): плита покажется вам теплой, но никак не обжигающе горячей. Как же варочная панель смогла вскипятить воду в кастрюле, не нагревшись сама? Что это за хитрость заставляет ее работать?
Индукция, или, если использовать полное название, электромагнитная индукция, была открыта, как и многие другие электрические явления, великим физиком Майклом Фарадеем, работавшим в подвальных лабораториях Королевского института в Лондоне. Удивительно, но мы знаем не только точное место совершения этого открытия, но и дату – 29 августа 1831 года. В письме другу Фарадей писал: «Кажется, я что-то ухватил, но пока не могу сказать, что именно. Ведь это может быть тина вместо рыбы, которую я после всех своих трудов рассчитывал наконец вытащить». Но это оказалась не тина и даже не просто рыба – а целая акула!
Фарадей тогда уловил и в метафорической форме передал следующее. Если рядом с проводом двигать магнитом, то по проводу потечет электрический ток. Что очень важно, верно и обратное утверждение: если вы заставите ток течь попеременно взад и вперед по проводу, он создаст вокруг него магнитное поле[11]. То есть провод и ток – все, что нужно, чтобы создать электромагнитную индукцию[12]. Однако последствия этого открытия оказались далекоидущими.
Возьмите плоскую катушку из проволоки и поместите ее недалеко от провода, по которому течет переменный ток. Согласно законам электромагнитной индукции, этот переменный ток создает переменное магнитное поле, которое само постоянно меняется. У него северный полюс то с одной стороны, то с другой. Если на верхнюю часть катушки положить кусок магнитного металла, такого как сталь например, переменное магнитное поле вызовет в нем ток. И тут сразу выяснится, что нержавеющая сталь не лучшим образом проводит электричество, оказывая ему высокое электросопротивление, так что бóльшая часть энергии токов высокой частоты (а именно они циркулируют в поверхностном слое) превращается в тепло. Таким образом, наш кусок стали, лежащий на проволочной катушке, нагревается, хотя у самой катушки такого эффекта не наблюдается.
Теперь спрячьте катушку проволоки под стильным черным керамическим листом и положите массивный лист из стали на дно кастрюли. Вуаля, вы только что сделали индукционную плиту своими руками! Переменные магнитные поля, создаваемые катушкой из проволоки, будут работать и через керамический лист. Вы даже можете провернуть трюк, использовавшийся продавцами первой индукционной варочной панели, разработанной компанией Westinghouse Electric в 1973 году. Удивляя зевак, они готовили еду через несколько газетных листов, лежавших на плите.
Однако у любознательного девятилетнего мальчика, который как бы сидит у меня на плече, есть раздражающий вопрос, на который я до сих пор не ответил. Почему вся эта электромагнитная индукция вообще существует? Что же такого есть в электричестве и магнетизме, что заставляет их идти рука об руку? Намек на ответ кроется в самом слове «электромагнитный». Дело не столько в том, что они всегда связаны друг с другом, сколько в том, что это одно и то же.
В природе существует только четыре фундаментальные силы. Слабое взаимодействие и сильное ядерное взаимодействие, удерживающие вместе субатомные частицы в ядре атома; гравитационное взаимодействие, суть которого мы до сих пор до конца не понимаем; и электромагнитное взаимодействие. Электромагнитную волну мы можем очень условно представить себе как две волны, чьи плоскости всегда расположены под прямым углом друг к другу. Одну из этих волн мы называем магнитной, другую – электрической. Их взаимодействие – очень сложный процесс, и лишь ошибочные представления заставляют нас воспринимать эти силы порознь. Таким образом, причина, по которой электричество и магнетизм идут рука об руку, заключается в том, что по существу это одно и то же.
Это возвращает меня к первоначальному убеждению, что индукционная плита – самый замечательный прибор на моей кухне. Возможно, кто-то считает иначе, но я убежден: никакие слайсеры, попкорн-машины, миксеры, рисоварки и хлебопечки не смогут так элегантно продемонстрировать одну из фундаментальных сил природы.
Долой мифы о микроволновке
Если даже у вас нет микроволновки, вы наверняка знаете кого-то, у кого она есть. Этот аппарат для ускоренного приготовления пищи стоит теперь почти на каждом кухонном столе. Но что происходит внутри микроволновой печи и как она работает на самом деле? Загляните в интернет или какой-нибудь подходящий учебник, и вы прочтете, что микроволновые печи нагреваются изнутри. Кроме того, вы узнаете, что микроволны подогревают или готовят пищу, заставляя молекулы воды входить в резонанс. Это почти правда, но, к сожалению, лишь почти.
В далеком 1945 году молодой инженер по имени Перси Спенсер работал над военным проектом для США, который предполагал использование микроволновых передатчиков. В те времена не было такого уровня контроля охраны здоровья и безопасности, и, когда Спенсер неосмотрительно стоял рядом с неэкранированным передатчиком, плитка шоколада в его кармане расплавилась. В тот момент удачливый инженер мало что понял, но это был первый случай приготовления пищи в микроволновой печи. Спенсеру еще повезло, что он сам не сварился!
Микроволновое излучение является частью электромагнитного спектра, совсем как световые лучи, которые мы видим. А отличает их друг от друга длина волны – расстояние между пиками интенсивности. У микроволн это расстояние составляет 12,2 см, в то время как длина волны видимого света примерно в 200 000 раз меньше. Важнейшей частью электромагнитного излучения – в том числе и из микроволновой печи – является его электрическая составляющая. Да, величина напряженности электрического поля растет до положительных величин и снижается до отрицательных.
Теперь представьте себе молекулу, колеблющуюся в потоке микроволн. Если у этой молекулы одна сторона заряжена немного более положительно, чем другая, то эта молекула попытается сориентироваться в соответствии с электрическим полем микроволновой печи. Поскольку электрическое поле постоянно меняет вектор своей напряженности, молекула пытается перевернуться вместе с ним. Как следствие, часть энергии микроволнового излучения передается молекуле. Более того, когда молекула кувыркается, она врезается в другие молекулы вокруг себя и щедро передает им часть своей только что обретенной энергии. Этот тип передачи энергии называется диэлектрическим нагревом, и, как следует из названия, это один из способов нагреть что-либо.
Если наша гипотетическая молекула – молекула воды в миске овощного супа, то она будет характеризоваться сильно неравномерным распределением электрического заряда, поэтому примется легко вращаться в волнах микроволнового излучения. Вскоре молекулы воды в супе начнут активно толкаться, передавая захваченную энергию микроволн друг другу и нагревая суп. Тем не менее не только вода нагреется под действием излучения. Нагреваются и жир, и сахарá, и даже керамические тарелки, если их глазурь содержит соединение с неравномерно распределенным зарядом. Более того, этот процесс не имеет никакого отношения к какому-либо резонансу, тем более в воде. Интересно, что молекулы воды во льду не совершают вращательных движений, поскольку не могут так свободно перемещаться. Именно поэтому размораживание продуктов в микроволновой печи, кажется, длится целую вечность.
Итак, если это физическая причина заставляет микроволновую печь генерировать тепло, получается, что пища греется изнутри? Нет, это тоже заблуждение. Микроволновки разогревают пищу снаружи, как и все остальные печи, но микроволны при этом, вместо того чтобы просто нагревать поверхность, проникают в суп, картофель или остатки карри на пару сантиметров вглубь. То есть тепло попадает в еду. И именно это ускоряет время приготовления. Кроме того, вам не нужно заранее разогревать микроволновую печь, как это делается с духовкой. Микроволновки начинают греть сразу после включения, и вы не теряете никакой энергии на стенках печи. Металлические пластины внутри нее действуют на излучение как зеркало. Волны отражаются от них и снова попадают в пищу, которую вы хотите нагреть. Все это работает в комплексе, и поэтому микроволновая печь так быстро справляется со своей задачей.
Уже более 70 лет прошло с тех пор, как шоколадка Перси Спенсера растаяла у него в кармане. Микроволновые печи стали использовать по всему миру. И все же для многих это устройство по-прежнему остается загадочным и непонятым.
Несовершенный тостер
Несмотря на все обещания многочисленных производителей мелкой кухонной техники, у меня до сих пор нет нормального тостера, который бы всегда работал так, как я хочу. И дело тут вовсе не в настройках: мой тостер способен выдавать огромный диапазон прожарки – я могу получить хлеб от слегка румяного до полностью обугленного. Так может быть, я просто покупаю дешевые тостеры? Или все же есть нечто принципиально трудное в автоматизации поджаривания хлеба?
Базовая конструкция тостера практически не изменилась с 1919 года, когда Чарльз Стрит изобрел автоматический тостер, выбрасывающий хлеб после поджаривания. Это устройство объединило в себе целый ряд механизмов – в частности, нагревательный элемент, таймер и связанный с ними пружинный механизм. Также в основе тостера лежит еще одно изобретение, которое вы легко можете обнаружить и в своем тостере сегодня: это нихромовая проволока. В самом первом тостере, сконструированном в 1893 году шотландцем Аланом Макмастерсом, использовались катушки из нихромовой проволоки, через которые проходило электричество. Именно оно давало тепло для поджаривания хлеба. К сожалению, пришедшая на ее место стальная проволока перегревалась, вступала в реакцию с кислородом и быстро сгорала. И все же компания, производившая тостеры с нихромом, да и сам Макмастерс при жизни, не слишком преуспели в продвижении своего изобретения, пропустив на рынок «стальных» собратьев.
Однако в 1905 году нихромовая проволока отвоевала свои позиции и прочно закрепилась на рынке. Сплав, состоящий из 80 % никеля и 20 % хрома, имеет несколько очень важных свойств. Во-первых, его можно нагревать до очень высоких температур и он не окисляется, как сталь. Дело в том, что нихром образует защитный слой из оксида хрома. Во-вторых, нихром – очень плохой проводник электричества. Вы можете подумать, что это помеха для использования его в электрических устройствах. Однако именно высокое сопротивление электричеству делает нихромовую проволоку незаменимой для большинства электронагревательных приборов. Когда через нее проходит электричество, сопротивление нихрома проявляется в виде большого количества тепла. Эти два свойства делают нихром идеальным материалом для преобразования электричества в тепло. Успех сплава был таким значительным, что его изобретателя, Альберта Марша, даже объявили отцом электроотопительной промышленности.
Итак, если тостер сам по себе такое простое устройство, то почему мои тостеры продолжают давать столь неустойчивые в плане прожарки результаты? На самом деле ответ на этот вопрос кроется не в тостерах, а в хлебе. Идеальный тост, на мой взгляд, горячий, хрустящий и золотисто-коричневый. И если с температурой и хрустящей корочкой проблем нет, то оттенок цвета – вопрос более сложный. Химия этого изменения, связанная с реакцией Майяра[13], была неплохо изучена еще в 1910-х годах, поскольку она лежит в основе многих процессов приготовления пищи. Когда вы разогреваете ломтик хлеба (или, как вариант, картофель, или стейк), белковые молекулы начинают вступать в реакцию с определенными сахарами, такими как глюкоза, лактоза и мальтоза, но не сахароза. Эта реакция производит новые, сложные соединения, которые обеспечивают коричневый оттенок и приятный вкус. Именно этого, я уверен, мы и пытаемся добиться от наших тостов. Однако, нагревая хлеб чересчур сильно, мы слишком далеко заходим в этом взаимодействии и доводим хлеб до карамелизации (с горьким вкусом[14]), а иногда и до карбонизации (обугливания).
Проблема с приготовлением тостов заключается в том, что степень прохождения реакции Майяра критически зависит от количества и типа сахаров в хлебе, а также от содержания белков. Вот почему и самый лучший тостер сегодня не может каждый раз делать идеальные тосты, даже если вы покупаете один и тот же хлеб. Кроме того, для реакции Майяра большое значение имеют чисто физические аспекты, такие как температура хлеба перед тем, как он попадет в тостер, и толщина ломтика. Оказывается, обжаривать тосты сложнее, чем кажется, и именно поэтому развитие технологии тостеров застопорилось почти на сто лет.
Загадка кофейного кольца
Если вы прольете немного кофе на стол и, не вытерев, оставите его сохнуть, он не оставит после себя равномерного коричневого пятна, как можно было бы ожидать. Вместо этого вы увидите кольцо с очень темными краями и светло-коричневой серединой. Такой же эффект, хотя и менее выраженный, вы получите на салфетках и скатертях, залитых красным вином. По мере высыхания пятно будет приобретать более насыщенный цвет по краям.
Это явление известно как эффект кофейного кольца. Стоит отметить, что такое название призвано подчеркнуть наличие яркого края при высыхании капли кофе, а вовсе не вызвано формой пятна, которую оставляют на столе кофейные чашки. Это происходит потому, что кофе – не просто коричневая жидкость, а суспензия (проще говоря, неоседающая взвесь): вода с измельченными частицами кофейных зерен и растворенными в ней молекулами соединений, дающих аромат. Если речь идет о кофе с кофеином, а другой я не приемлю, то это аромат кофеина.
Представьте себе, что у нас есть капля кофе на гладкой столешнице вашей кухни. Когда эта капля начнет высыхать, вы заметите несколько моментов. Во-первых, размер площади смоченной столешницы не уменьшится по мере испарения капли. Край жидкости на столе останется зафиксированным в первоначальном положении, поскольку вода очень хорошо прилипает к поверхности стола – порой до такой степени, что силы, стягивающие каплю вместе, слабее, чем те, которые удерживают ее на столешнице. Поэтому, когда капля высыхает, она не оказывается меньше в диаметре, но становится более плоской.
Во-вторых, испарение воды происходит по всей поверхности капли, включая края, где вода встречается со столешницей. Когда молекулы воды испаряются из середины капли, на их место поднимаются молекулы снизу. По краям ситуация немного другая: здесь вода располагается под небольшим углом к столешнице. Поэтому, когда испаряются молекулы по краям, капля как бы растекается: под действием силы тяжести улетевшие молекулы заменяются молекулами из центра, и это создает постоянный отток молекул от центра капли к краям.
Поскольку наша капля заполнена крошечными частичками измельченных кофейных зерен, эти частички двигаются вместе с водой. Так что бóльшая их часть к тому времени, когда вода полностью испаряется, оказывается около края. При попадании жидкости на впитывающую поверхность, такую как салфетка, происходит то же самое, только эффект получается менее выраженным. Его ослабление объясняется тем, что перемещение частиц затруднено волокнами салфетки.
Эффект кофейного кольца может показаться очень надуманной проблемой, но на самом деле в лакокрасочной промышленности его существование создает массу трудностей. Он применим к любой жидкости, содержащей мельчайшие частицы. В баллончике с аэрозольной краской, к примеру, тоже суспензия – взвесь крошечных частичек пигмента в жидком носителе. Но ведь все мы хотим получить ровное покрытие, а не маленькие колечки с темными краями, вызванные эффектом кофейного кольца. Есть несколько способов обойти эту проблему. Проще всего использовать жидкость с максимально быстрым испарением. Внутри такой жидкости частички не успевают перемещаться.
Однако большего внимания заслуживает то, что обнаружили ученые из Университета штата Пенсильвания в США. Если частицы, взвешенные в жидкости, имеют не сферическую, а удлиненную форму, эффект кофейного кольца не наблюдается. Если частицы примерно в три раза длиннее своей ширины, они просто застревают на внутренней поверхности капли. Затем они начинают прилипать друг к другу и образуют комки, которые слишком велики, чтобы их можно было притянуть к краю капли. И, когда капля высыхает, получается покрытие с равномерным распределением частиц. Пожалуй, это открытие может послужить отличным началом для создания медленно высыхающих аэрозольных красок.
Таким образом, чтобы избежать неприглядных кофейных колец на вашей столешнице, вы можете либо измельчать кофе в удлиненные частицы, либо вытирать капли до того, как они высохнут сами. Одно из этих решений явно имеет научную основу, но зато другое радует своей простотой.
