Андрей Варламов - Физика повседневности. От мыльных пузырей до квантовых технологий

Удобнее всего провести опыт с «классической» французской кофеваркой (илл. 6). Избыточное давление Δ P в этом случае непосредственно зависит от высоты уровня воды h : Δ P = p gh , где g – ускорение свободного падения. Чтобы применить закон Дарси, нужно будет только измерить площадь поверхности фильтра, взвесить то количество воды, которое будет налито в кофеварку, и засечь время фильтрации. Вы даже можете проверить влияние вязкости η на время фильтрации, используя воду разной температуры. При 100 °C вязкость составляет 0,0003 Па; при 30 °C – 0,001 Па. Это связано с тем, что вязкость жидкостей уменьшается при повышении температуры, поскольку она определяет степень жесткости межмолекулярных связей. Напротив, в газах взаимодействие молекул очень мало, а вязкость при заданном давлении с возрастанием температуры увеличивается.

Неаполитанская кофеварка (илл. 5), предшественница гейзерной, немного напоминает последнюю, поскольку тоже состоит из двух отдельных отсеков, между которыми находится металлический фильтр для кофе. Существенная разница заключается в «двигателе», который заставляет воду проходить через фильтр: здесь это просто сила тяжести! Как только вода начинает кипеть, кофеварку снимают с огня и переворачивают. Перепад давления Δ P между двумя сторонами фильтра обусловлен весом водяного столба в несколько сантиметров и составляет приблизительно 1 кПа.

5. Неаполитанская кофеварка. Когда вода в нижней части закипает, кофеварку переворачивают, и кофе проходит через фильтр под действием силы тяжести

В кофеварках, распространенных во Франции в первой половине XX века (илл. 6), также использовали избыточное давление, создаваемое благодаря весу водяного столба. Однако их не переворачивали: горячую воду лили прямо на кофейный порошок. Короче говоря, принцип этих кофеварок такой же, как и у капельных. Изменился только материал, из которого сделан фильтр! И все-таки в разных типах кофеварок следует использовать кофе различного помола: поскольку отверстия керамического или металлического фильтра намного крупнее, чем поры бумажного фильтра, для них не стоит использовать слишком тонко смолотый кофе. Кроме того, фильтрация через бумажный фильтр происходит быстрее, так как часть горячей воды проходит через бумагу над основной массой кофейного порошка и фильтруется лишь небольшим его слоем.

6. Принцип работы «классической» французской кофеварки. Такие кофеварки часто были фаянсовыми. В верхнюю часть заливают кипяток, который проходит через фильтр, получаемый кофе оказывается в нижней части. Ручки и носик на схеме не показаны

Многие утверждают, что такой старомодный кофе вкуснее приготовленного в гейзерной кофеварке, потому что медленная, в течение нескольких минут, фильтрация способствует извлечению веществ, которые обусловливают специфический вкус и аромат кофейного напитка, а более низкая температура воды предотвращает их тепловой распад.

Действительно, в середине XX века лучшим кофе, какой могли подать во французских барах, считался «фильтр-кофе». Устройство для его приготовления было индивидуальным и состояло из чашки, увенчанной контейнером с металлическим фильтром. Толщину последнего можно было регулировать с помощью центрального винта, тем самым сильнее или слабее сжимая помещенный в фильтр молотый кофе (илл. 7). По мере изменения степени сжатия менялась и проницаемость кофейного порошка (см. врезку «Экспериментальное измерение проницаемости кофе»). При малом сжатии на выходе получалась безвкусная водянистая жидкость. В результате же чрезмерного сжатия – серьезная ошибка! – напиток вовсе не выходил из фильтра. В самом деле, давление, возникающее в контейнере из-за веса водяного столба, относительно низкое: около 500 Па. Процесс же фильтрации имеет минимальный порог для перепада давления (закон Дарси для слишком малых перепадов не справедлив): ниже его молотый кофе оказывается слишком компактным, вода не может преодолеть силы поверхностного натяжения и пройти сквозь него.

Вечно спешащие люди, какими мы стали сегодня, отказались от этих способов приготовления кофе.

7. Французский «фильтр-кофе». 1950 год

Такая нетерпеливость, свойственная современному человеку, началась уже в XIX веке. Легенда гласит, что в то время некий подданный Королевства обеих Сицилий, устав терпеливо ожидать приготовления своего кофе alla Napoletana (по-неаполитански), сумел убедить одного из своих друзей, миланского инженера, изобрести машину, которая бы готовила вкусный ароматный кофе менее чем за минуту. Инженер приступил к работе… и придумал эспрессо-машину! На самом деле еще несколько изобретателей внесли свой вклад в ее совершенствование. Одна из первых эспрессо-машин была представлена на Всемирной выставке в Париже в 1855 году Эдуардом Лойзелем де Санте; правда, качество изготавливаемого этой кофеваркой напитка было нестабильным… Только в 1900-х годах миланский инженер Луиджи Беззера разработал коммерческую версию. Сначала она поставлялась в бары и рестораны, но затем распространилась и среди частных лиц.

В чем суть процесса приготовления получившего всемирное распространение «эспрессо»? Вода в фильтр эспрессо-машины поступает под высоким давлением (в 10–15 раз выше атмосферного) и при достаточно невысокой температуре (88–92 °C). Поэтому содержащиеся в кофейных зернах неустойчивые ароматы, которые при температуре в 100 °C и выше разрушаются, при таком способе приготовления сохраняются. Чашка кофе готовится не более чем за 30 секунд, поэтому эспрессо содержит различных кислот и кофеина меньше, чем классический кофе. Также важной отличительной особенностью эспрессо является нежная коричневая пенка. Она состоит из крошечных пузырьков газа, заключенных в жидкую пленку. Таким образом, формирующие вкус кофе ароматы оказываются связанными и не улетучиваются. Кроме того, пенка ограничивает теплообмен с окружающим воздухом, и напиток остывает медленнее.

В современных машинах вода доводится до необходимого давления с помощью электрического компрессора. Раньше же использовали рычаг (илл. 8): сначала при поднятом положении рычага в рабочий объем впускали необходимое количество воды, а затем рычаг опускали, чтобы вода проходила сквозь фильтр с кофейным порошком. Таким образом, давление на фильтре создавалось усилием руки, многократно умноженным благодаря действию рычага. Читатель легко убедится, что, для того чтобы получить необходимое давление, не обязательно обладать силой Голиафа [22] Если площадь кофейного фильтра составляет 10 см 2 , а давление в нем составляет 15 атм, то требуемая сила должна составлять 15 × 100 000 × 0,001 = 1500 Н, что примерно равно весу массы в 150 кг. Если рычаг увеличивает силу в 15 раз, то сила, которую необходимо к нему приложить, примерно равна требуемой для поднятия 10-килограммового чемодана. .