【薦讀】每個攤煎餅的人,都是隱藏的流體力學專家

木之本最愛下雨天 2019/07/25 檢舉 我要評論

  每一張形狀正圓、厚薄均勻、沒有破洞的煎餅,都凝聚了製作者對麵糊流體力學的深入理解。最近,兩位物理學家通過數學建模,找到了攤出一張好煎餅的方法,並將這些發現寫進了論文中。



  煎餅果子是許多中國人喜愛的點心,法國人也對「法式煎餅」可麗餅愛得深沉。人們熱衷於按自己的口味給煎餅加上各種豐富的配料,但是好吃的煎餅一定有一個共同的特點: 厚薄均勻、火候恰到好處、沒有破洞。

  說起來容易做起來難。別看樓下賣早餐的大媽兩分鐘攤一張漂亮的餅,如果自己上手做,多半會發現——咦怎麼不是圓的?怎麼這裡這麼厚?怎麼翻個面就破了?

  為了做出完美的煎餅,法國巴黎綜合理工學院(École Polytechnique)的愛德華·布卓(Edouard Boujo)和紐西蘭坎特伯雷大學(University of Canterbury)的馬修·塞利爾(Mathieu Sellier)研究了一番,終於找到了其中的奧義,順手在 Physical Review Fluids 發了篇論文。



01

把煎餅攤勻有多難?

  攤煎餅方法可以簡單分為兩大流派:用推子之類的工具把麵糊快速推開,或轉動平底鍋讓麵糊自己攤開。或許是想讓大多數非專業人士做起來更簡單,兩位物理學家把目光聚焦在了第二種方法上。



用推子攤煎餅,這種方法常見於街頭小攤。 圖片來源: Pixabay

  無論是可麗餅還是中式煎餅,加熱過程中都會發生一個重要的變化: 水分隨加熱流失,導致麵糊的黏度逐漸增加。許多人可能已經發現,如果在麵糊剛剛下鍋的時候沒有及時把它攤平,它就會很快凝固,再也攤不平了;但是動作太快也不行,容易把餅弄破。

  要攤一張厚薄均勻的圓形煎餅,難道只能「憑感覺」嗎?

02

如何科學地攤一張餅



圖片來源: Pixabay

  作為流體力學領域的科學家,塞利爾和班卓決心從這一物理特性入手, 利用數學建模計算,模擬了已成型的煎餅與還在流動的殘餘麵糊在受熱容器中的相互作用。這可是一項複雜而繁瑣的工作,但也比親手上鍋做實驗省時省力多了。更為關鍵的是,這樣做可以嚴格監控每一個變數和細節。

  他們嘗試了兩種方法, 第一種是將麵糊表面運動採用參數化的諧波方程描述,並採用蒙特卡洛方法「暴力求解」,找出最優的參數組合。這裡要考慮的參數就有十個,包括麵糊黏度、密度、鍋的傾斜角、半徑、麵糊初始厚度等等。



對煎餅的數學建模。 如圖,從上到下,從左到右,從 t=0 到 t=7∆t 之間麵糊發生的變化,∆t = 4.29 s。 右側顏色梯度代表麵糊厚度,深藍色的部分麵糊最薄,淺藍色至紅色部分麵糊越來越厚。 圖中箭頭方向代表每個瞬間的重力方向。 圖片來源: Boujo and Sellier,Phys. Rev. Fluids, 2019

  電腦在設定的參數范圍內進行了大量計算,攤了無數個虛擬煎餅,終於找到了改善麵糊均勻性的方法。相比不控制參數的情況(可能指的是他們在現實中製作的早餐),這種方法 能將煎餅的均勻性提升大約 40%。考慮到背後的海量計算工作,這種方法性價比確實不高。

  於是,他們又嘗試了另一種方法。這是一種叫做 伴隨優化的數學演算法:將麵糊最終形態作為目標函數,對麵糊施加作用力而導致的運動被描述為一系列偏微分方程,以提供約束條件,在此基礎上對目標函數進行優化,尋找使麵糊均勻平坦的最優路徑和方法。

  在這個案例中,伴隨優化演算法完勝蒙特卡洛方法,它用更少的計算量實現了更大的性能提升。在該演算法的説明下,塞利爾和班卓獲得了黏度變化的麵糊在移動容器中的流動及成形特徵。經過多次的調整和模擬,他們終於找到了製作可麗餅的最佳方法, 能讓餅的均勻程度提升 83%。



如圖,圖 (a) 為不加控制的對照組,圖 (b) 為諧波優化-蒙特卡洛方法得到的結果,圖 (c) 和 (d) 為用伴隨優化演算法得到的結果,其中力度控制參數不同。 從圖 (a) 到圖 (d),煎餅越來越均勻。 圖片來源: Boujo and Sellier, Phys. Rev. Fluids, 2019

03

攤煎餅的終極奧義



   總而言之,在充分比較了非控制組、協調方程-蒙特卡洛解法以及伴隨優化求解法的最終結果後,研究人員找到了一個實用的攤煎餅方法:

  這種方法有個酷炫的名字: 重力驅動液態膜的最優控制。這一技術不僅能用來做早餐,還能應用到巧克力製造、塗層工藝和彈性薄殼製造等領域,而彈性薄殼在航空航太、船舶製造等方面都有重要應用。誰能想到,對美好早餐的追求也能推動工程技術的小小進步呢?

來源:科研圈(ID:keyanquan),撰文:Helena,編輯:戚譯引

本期編輯:胡程遠、石磊



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