Fizyka dla każdego

Słowem kluczowym w poprzedniej rolce "Czy sypać sól na chodniki?" była eutektyka, czyli stop metali (lub roztwór soli w wodzie), która ma najniższą temperaturę krzepnięcia (= zamarzania, = topnienia)

Słowem kluczowym w tej rolce jest emulsja, przez co rozumiemy zazwyczaj mieszaninę tłuszczu i wody, o odpowiedniej konsystencji. 

  

https://www.instagram.com/reel/DWgJmzUCJRg/

www.facebook.com/watch/?v=1270768477721710

Dlaczego? Bo tłuszcz z wodą - zasadniczo - się nie miesza. Wlej do słoika 1/4 oleju i 1/4 wody: spróbuj wymieszać. Albo powstaną kropelki oleju w wodzie albo wody w oleju, zob. fot. 1. Wymieszać się nie da! Stąd słowo kluczowe "emulsja". 

Masło

Pięknym przykładem emulsji jest masło. 

Etykiety sklepowe masła nieco się "prześcigają" - ale każda z nich podaje 82-83% tłuszczu.

AI na moje pytanie (21.03.2026), czy masło jest emulsją, odpowiada tak:

Innymi słowy: masło to emulsja zawierająca około 82% tłuszczu (fot. 2) a reszta do woda, a mleko - odwrotnie: większość woda a tłuszczu jest 4-5%.

Jeśli masło zawiera więcej niź 18% wody, to wytrąca się ona w postaci widocznych kropelek. Było w sklepach w "c.cz.k." (wyjaśnienie skrótu w poprzednim tekście) "masło" o zawartości tłuszczu mniejszej, o ile dobrze pamiętam 62%: podczas smarowania, pod nożem pojawiały się kropelki wody.

Z kolei, jeśli mleko zawiera więcej tłuszczu - to zbiera się on na powierzchni w postaci śmietany. I to ze śmietany, poprzez ubijanie dostaje się masło.

Dlaczego akurat 82% tłuszczu a nie 100%? Nie wiemy: ot tak! jakoś natura sama się dostosowuje.

Podrobiony spirytus?

Mamy liczne inne przykłady mieszanin "optymalnych". O stopach charakteryzujących się najniższą temperaturą topnienia, eutektykach  - o takim, a nie innym składzie było już poprzednio. Tu  możemy przywołać innym przykład "samoregulacji" mieszanin, jaką też znajdziemy w sklepach: spirytus zawiera nie 100% a 96% alkoholu. Jakieś oszustwo handlowe?

Nie! Jak z masłem o 82% tłuszczu, tak i mieszanina wody i alkoholu etylowego ma "optymalny" skład - 96% C₂H₅OH (objętościowo). Przy tej zawartości alkoholu, w czasie destylacji paruje jednocześnie i  H₂O i C₂H₅OH. Innymi słowy, temperaura wrzenia mieszaniny o tym składzie jest najniższa. Coś podobnego do składu eutektyki, czyli mieszaniny o najniższej temperaturze topnienia. Pokazuje to poniższy wykres z Wikipedii

(C) Wilfried Cordes - de:Dortmunder Datenbank; en:Dortmund Data Bank

Aby otrzymać alkohol etylowy 100% trzeba zastosować procedury chemiczne (lub fizyczne) bardziej skomplikowane niż zwykła destylacja (potocznie: "pędzenie bimbru").

Podobnie z masłem: aby usunąć całkowicie wodę, trzeba poddać masło "oczyszczeniu", czyli rektyfikacji. Takie masło nazywamy też "klarowanym". Nadaje się ono szczególnie do smażenia: w czasie przygotowania jajecznicy na maśle, to nie tłuszcz "przyszcze", ale wrze woda zawarta w maśle. 

Reasumując, dlaczego masło zawiera (prawie) dokładnie 82% tłuszczu - nie wiemy.

Podziękowania za zwrócenie uwagi (1977 r.) na nadzwyczajność składu masła - dla dr J. Kukiełki, wykładowczyni przedmiotu "Towaroznawstwo" na kierunku Ekonomika Handlu Zagranicznego Uniwersytetu Gdańskiego w Sopocie.  

Szara maść

O ile poprzednia rolka wzięła się z rozważań ekonomicznych, to ta bierze się z "moich" studiów farmaceutycznych. 

Kiedy pierwszy raz spotkałem się z wytwarzaniem maści, uświadomono mi, że są one specjalnymi mieszaninami, w których może być potrzebna zarówno woda (rozpuszczalnik niektórych leków, np. witaminy C) jak i tłuszcz (rozpuszczalnik innych substancji, np. witaminy D).

Większość maści zawiera jako "podkład" (po łacinie vehiculum) jakiś tłuszcz, np. wazelinę. Słowem kluczowym w przygotowaniu maści jest ucieranie,  za pomocą  tłuczka,  w moździerzu.

Nie tylko maści, ale przede wszystkim kremy są emulsjami. I tak mamy krey nawilżajace (zapewne z większą ilością fazy "wodnej") i natłuszczające.

Margaryny, wytarzane z różnych tłuszczów zawierają również "emulgatory", czyli substancje ułatwiające tworzenie się emulsji.

I jak pokazuję w rolce, emulsjami są również różnego rodzaju farby - lateksowe, akrylowe itp. Jak podaje jeden z producentów: określenie „farby wodorozcieńczalne” stosuje się do opisania zawiesiny cząstek stałych, czyli pigmentów i innych wypełniaczy w spoiwie i rozpuszczalniku."

Moi przyjeciele (i przyjaciółki) z Wydziału Farmacji mieli zwyczaj śpiewać przy ognisku: "Szara maść, szara maść. Równo kłaść, równo kłaść." 

Kręcić w prawą stronę?  

Wszystkie znajome gospodynie domowe twierdzą, że ciasto trzeba kręcić w jedną stronę. Włoszki mówią wręcz, że nalezy kręcić wyłącznie w prawą stronę. Zabobon?

Niedawne (2018) badania fizyków pokazują, że gospodynie mogą mieć rację. Nie badano, co prawda, ciasta skłądającego się z mąki, cukru jajek, masła i mleka, ale modelowe studium mieszaniny mąki kukurydzianej (czyli skrobii) dało tak ciekawe rezulaty, że zostały one wyróżnione w internetowym przeglądzie osiągnięć fizyki "Physics Today", fot. 3.

Pytaniem, jakie postawili sobie badaczy było, dlaczego mieszanina skrobii i wody ma dziwne własnoście mechaniczne. Jest to ciecz, ale przy szybkich odkształceniach zachowuje się jak elastyczne ciało stałe. Dzieci na pokazach fizycznych wymieniają jednym tchem: "ciecz nie-niutonowska", Dużo to nam nie mówi. 

Na stronach "Fizyki zabawek" pokazujemy tego rodzaju materiał pod nazwą "elastyczna plastelina". Odkszałcana powoli "płynie", jak dobrze rozgryziona guma do żucia. Spuszczona w formie kulki odbija się od podłogi jak piłeczka kauczukowa, uderzona młotkiem (podobno) się rozpryszkuja na kawałki jak szkło. Wyjaśnieniem (pozornym) jest niezwykły, a odkryty przypadkowo skład chemiczny - polimeru z atomami krzemu zamiast węgla (AI: polydimethylsiloxane (PDMS) and boric acid).

Ale również krochmal zachowuje się podobnie. Pokazuje to film ze stony opisującej [1] wcześniejszy (2013) artykuł [2] amerykańskich fizyków: ciężka kulka obija się od powierzchni "cieczy"

Ciągle jednak jesteśmy daleko od wyjaśnienia, czy należy kręcić w jedną stronę, i od komentarza "Tylko ręka boli". Kolejnego kroku w tym kierunku dokonała grupa fizyków z USA i Wielkiej Brytanii [3]: badali mieszaninę mikro-koloidalnej krzemionki (SiO₂) i lateksu - jakby mąki, jajek i margaryny.

"We do so in two canonical colloidal systems: chargestabilized silica (Seikisui Chemical) with diameter 2:0 µm suspended in a mixture of glycerol and water (viscosity η0 = 0:98 Pa.s at 20◦C) at volume fraction φ = 0:49, and polymethylmethacrylate (PMMA) particles with diameter 1:4 µm sterically stabilized with poly-dimethyldiphenyl siloxane (PDV-2335, Gelest) with chain length ≈ 50 nm [27] suspended in PDV-2331 (Gelest, viscosity
η0 = 1:78 Pa.s at 20◦C ) at φ = 0:51."
  

Celem było stwierdzenie, jaki jest powód "twardnięcia" takiej mieszaniny w trakcie mieszania. Jakby dla sprawdzenia przepisu gospodyń domowych, co 10 sekund zmieniano kierunek mieszania. Możliwe dwa wyjaśnienia to siły hydrodynamiczne lub opór spowodowany stykaniem się molekuł. Nagły spadek sił oporu mieszaniny po zmianie kierunku mieszania wskazał jasno na siły kontaktowe. 

Czy to już przepis gospodyń domowych? Jeszcze nie, ale rysunek Chrisa Nessa z Uniwersytetu w Edynburgu w artykule [4] opisującym to doświadczenie sugeruje rozciąganie się drobin w czasie kręcenia w jednym kierunku. 

Chris Ness/University of Edinburgh

 

Doświadczenie jako sprawdzian teorii

To doświadczenie jest ostatecznym sprawdzianem teorii, mawiał Albert Einstein. Jako fizycy doświadczalni, musimy więc pokazać prosty eksperyment. 

W podwójnej szklance (jedna w drugiej), między ich ściankami znajduje się (bezwodna) gliceryna. Wpuściliśmy w jednym miejscu kolorową kroplę. 

Teraz kręcę powoli zewnętrzną szklanką. Kropla rozciąga się w długą warstwę - tak cienką, że jej nie widać.

Po czym kręcę z powrotem. Po ukończeniu trzeciego obrotu, czyli po powrocie do pozycji wyjściowej, kropla znów się pojawia, tylko trochę rozmyta.

  

Kiedy powoli kręcę szklanką, ciecz przepływa w sposób warstwowy - tzw. laminarny.

Kropla rozmyła się, ale kiedy zawrócę kierunek kręcenia, znów się pojawi.

(Doświadczenie mgr Stefan Meyer i mgr Waldek Kruchowiak, zdjęcia Krzysztof Fabisiak) 

Nasze gospodynie domowe mogą mieć rację: należy kręcić w jedną stronę!

P.S. Z majonezem podobnie: może się "zwarzyć", po włosku "zwariować" (impazzire).

Literatura:

[1] Eric Brown, Friction’s Role in Shear Thickening, Physics, 6. 125, November 18, 2013

Department of Mechanical Engineering and Materials Science, Yale University, New Haven, CT 06520, USA

[2]  R. Seto, R. Mari, J. F. Morris, and M. M. Denn, “Discontinuous Shear Thickening of Frictional Hard-Sphere Suspensions,” Phys. Rev. Lett. 111, 218301 (2013)

[3] Neil Y. C. Lin,Ben M. Guy, Michiel Hermes, Chris Ness, Jin Sun, Wilson C. K. Poon, and Itai Cohen, Hydrodynamic and contact contributions to shear thickening in colloidal suspensions, Phys. Rev. Lett. 115, 228304 (2015), https://doi.org/10.7488/ds/324.

[4] Katherine Wright, Down to Friction. Physics 8, 135, 25 November, 2015,

strona w budowie... 

 

Najnowszy (October 2025) artykuł przeglądowy pokazuje, jak skomplikowane są procesy transportu w zawiesinach, emulsjach, mieszaninach

Particle-laden flows

Cristian Marchioli, Mickael Bourgoin, Filippo Coletti, Rodney Fox, Jacques Magnaudt,Michael Reeks, Olivier Simonin, Martin Sommerfeld, Federico Toschi, Lian-Ping Wang, S. Balachandar, International Journal of Multiphase Flow, Volume 191, October 2025, 105291