在过去四年中，由于恶劣天气降低了产量，咖啡价格显著上涨。再加上对巴西和哥伦比亚等咖啡生产国的关税上升，这杯咖啡越来越像是一种早晨奢侈品。

但有一种新发布的技术旨在让你的咖啡渣用得更久——这是宾夕法尼亚大学一群略显过于兴奋的物理学家和流体力学专家的成果。

大约一年前，阿诺德·马蒂森的实验室工作人员开始思考如何用最少的咖啡豆提取出最多的咖啡，他们在实验室的咖啡桌旁闲聊。现在他们刚刚发布了他们的研究成果。

题为《浇注咖啡：水流冲击颗粒床的混合与雪崩动态》，他们的10页论文在《流体物理学》杂志上于周二发布。

流体力学与咖啡提取最大化

“这一切开始于我们的咖啡站，基本上是我们实验室工作台上的一个空间，”马蒂森说，他是该大学的物理学教授。

他的博士生厄恩斯特·帕克是“实验室中最大的咖啡爱好者，”马蒂森说。实验室的咖啡制作设备包括一台意式咖啡机、一台法式压滤壶和一个浇注设备。“但浇注是厄恩斯特真正喜欢的饮品，”他说。

一群流体力学专家、一整套设备以及大量咖啡因：有什么可能会出错呢？

在这种情况下，是“有什么可能会对？”

在咖啡站的实验

帕克最初开始尝试不同的沸水浇注法。他们在咖啡站记录数据，记录下什么方法能煮出最好的咖啡，正如任何自尊心强的科学实验室一样。

“起初他只是尝试不同的方法，从不同的高度倒咖啡等等。然后他说，‘等一下，这很好喝，但我们需要进行真正的实验，’”马蒂森说。

他们将努力转移到另一个实验台，并开始实验浇注高度和水流大小，但意识到他们需要更好的数据来确定咖啡滤器中究竟发生了什么。

“我们无法真正证明机制是什么，”马蒂森说。

由于咖啡渣不透明——而流体力学实验室就是流体力学实验室——这一努力迅速升级。

不久后，他们组装了一定数量的小硅胶颗粒，大小与咖啡渣相似，一个透明的浇注滤器，一条激光照明的激光光束，以及一个高速相机，以便让他们能够拍摄并分析得到的图像，使用一些定制的Python和Matlab计算机代码。

一切都是关于咖啡渣雪崩

在进行数十次实验并分析结果后，帕克、马蒂森和实验室成员玛戈特·杨提出了一种从最少的豆子中提取最多咖啡的明确技术。

在科学术语中，他们研究的是“浇注咖啡的水动力学，特别是液体喷射如何与浸没的咖啡渣颗粒床相互作用。”

用外行话来说，他们有以下建议：

• 缓慢地将沸水倒在咖啡粉上，这样水与咖啡粉的接触时间更长。浇注时间越长，提取的效果越好。
• 但也不要太慢，因为那样会导致水不能完全与咖啡粉混合，会导致部分咖啡被提取不足，而部分咖啡过度提取。
• 提高浇注高度可以增加水流的速度。这有助于在咖啡粉中形成“雪崩”，使它们最大程度地接触沸水。
• 确保水流是一股流而不是分解成水珠。如果你倒得太慢或者高度过高，水流会断裂，雪崩也会停止。你希望保持水流平稳、层流地击打咖啡。
• 细长的水流——从细颈壶中最容易产生——是获得缓慢、层流浇注的最简单方法。普通水壶也可以产生细流，但难度较大。

科学家们确定，缓慢、层流的浇注（意味着一股水流而不是水滴）产生了最有味道的咖啡。但实验的最后部分是测试实际提取的咖啡固体量，通过分析溶解的化合物。

这是通过使用不同的浇注高度和流量大小制作咖啡，使用烤箱蒸发咖啡，然后称重溶解的固体来实现的。

这是否增加了科学对咖啡知识的理解？

诚然，马蒂森的大部分研究比这个更深奥。最近的论文包括《通过超快水动力触发波进行的集体细胞间通信》和《在非牛顿流体中的细菌流动促进》。

咖啡研究部分是因为在COVID-19期间，当他们的实验室关闭时，团队开始了一项食品科学计划“因为这意味着我们可以在家进行一些实验，”他说。

这导致了诸如《烹饪流体力学及食品科学中的其他流动》之类的论文，发表于2023年。他们自那时起开始接触当地学校，进行厨房科学研讨会，以提高学生对物理学的兴趣。

在咖啡实验中，文献回顾显示，已经有关于咖啡机和法式压滤咖啡机中液体流体力学的研究。

“但就我们所知，目前还没有关于浇注咖啡的研究，”马蒂森说。

直到现在。