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倒番茄醬敲瓶底所引發的悲劇,和土壤液化 ──《茶杯裡的風暴》

三采文化集團_96
・2017/08/17 ・2990字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 498 ・六年級

倒番茄醬敲瓶底所引發的悲劇

某個慵懶的星期天,我在一間英式酒吧點了一份午餐:附餐會有薯片,以及隨之附上的一罐番茄醬,但是這種組合需要你付出一點體力為代價。數十年來,這些週遭的梁柱已經見證過無數次這樣的儀式:擠番茄醬。為了要讓番茄醬離開瓶子,人們大多必須與它暴力相向。

《宋飛正傳》(Seinfeld)中的片段。source:Giphy

大部分的人每次剛開始倒番茄醬時,都很樂觀地直接讓瓶口朝下,嘗試讓番茄醬自然流出,但通常什麼事都不會發生。因為番茄醬是厚實黏稠的物體,重力不足以把它拉出瓶子。廠商之所以讓它具備這種狀態,第一個原因是黏稠的番茄醬可以避免放置了一段時間後,裡面的香料開始沉澱,使得你必須在使用前將它搖晃均勻;第二個原因是大家喜歡薯片上有厚厚一層番茄醬,如果它不夠黏稠,淋在食物上只會有薄薄的一層,其餘都會流到旁邊。不過說了這麼多,我的番茄醬依然在瓶子內,還是沒有淋到薯片上。

當大家將打開瓶口的番茄醬倒置在薯片上方幾秒鐘後,終於開始明白瓶子裡的番茄醬對於重力的拉扯是絲毫不為所動。那些亟欲享用薯片的人開始搖晃瓶子,而且越來越大力,甚至還會用另外一隻手拍擊瓶子的底部(這時的「底部」是指朝上的那側)。當餐廳裡的人都開始注意這個人與瓶子之間的戰鬥時,忽然,四分之一瓶的番茄醬就這樣倒在薯片上。這就奇怪了,它可以一次流出這麼多,讓薯片蓋滿厚厚的番茄醬(也可能噴了一大堆到桌上),那為什麼剛才一滴也流不出來?這種抗拒到了某種程度之後,才會大量出現的流動,原因是什麼?

source:Giphy

番茄醬是液體還是固體?

這一切都跟番茄醬有關,當你嘗試緩慢而柔和地推動它時,它就如同一個固體,但是一旦你快速搖晃它,它就像是液體,因而流動自如。當番茄醬在瓶子內或在薯片上時,只有重力會輕微地吸引它,就如同吸引一個固體一樣,維持在原來的位置;但是快速搖晃就會使得番茄醬的內部開始移動,此時就出現液體的行為。這一切都跟時間有關,如果使用不同的速度移動同樣的東西,結果就會大不相同。

番茄醬最主要的成分就是番茄,以及增加風味的醋與香料,而番茄本身除了大量的水, 其他成分似乎也沒有什麼特別之處。但是這瓶番茄醬的祕密就在於其中 0.5% 的添加物,它們是由醣分子組成的長鏈化合物,稱為「黃原膠」(xanthan gum)。這種化合物最早的用途是在於細菌的培養,如今則是一種常見的食品添加劑。

圖/By Mike Mozart @ flickr , CC BY 2.0

當瓶子靜置在桌上時,這些被水包圍的長鏈分子彼此會輕微地交纏,因此可以固定番茄醬內的各種物質。但是隨著餐廳客人拿著瓶子搖晃,這些長鏈分子會暫時解開,不過很快又會恢復與其他的長鏈分子交纏。當瓶子搖晃得越來越劇烈時,就會有越多分子處於分開的狀態,直到它們交纏的速度比不上分開的速度,這時,番茄醬就不再像固體,而是變成了液體,從瓶子內流出來了。

source:Giphy

所有英國人每天花在倒番茄醬的時間,一定相當可觀,但其實有一個方法可以解決這個問題,卻很少人去做。大家常將瓶子倒置,然後搖晃、拍打底部,其實是事倍功半的做法,因為變成液體的番茄醬都在底部,而朝下的瓶頸內的番茄醬,卻依然像固體。所以最好的方式不是拍打底部,而是讓番茄醬的瓶子傾斜對準薯片,然後拍打瓶子的前端,這時變成液體的番茄醬就在出口,所以很容易就自然地流出來,而且不需要大力搖晃,不會弄出打擾其他客人的聲響,也不用擔心整瓶番茄醬都變成液體,忽然噴得到處都是,更不會讓你的薯片埋在一大灘的番茄醬底下。

當你嘗試緩慢而柔和地推動番茄醬時,它就如同一個固體,但是一旦你快速搖晃它,它就像是液體,因而流動自如。圖/By Jeffreyw @ flickr, CC BY 2.0

從番茄醬到土壤液化

番茄醬是生活中的小事物,但是同樣的物理學現象,如果作用在大規模的區域,可能會造成難以想像的後果。基督城(Christchurch)是一個迷人的紐西蘭城市,我曾經在2002 年造訪過它,那裡的土地是由亞芬河(Avon)所攜帶的微小顆粒,在數千年當中不斷沉積而成的地層,因此這個風景優美的地方,其實是一個不定時炸彈。

基督城。圖/By P. Stalder @ wikimedia commons

在 2011 年 2 月 22 日下午  12 點 25 分的時候,位於市中心東南方 10 公里的地方,發生了一場芮氏規模(Richter scale)6.3 的地震。地震本身就會搖晃人與物品而造成傷害與災難,甚至會毀壞建築物。這座城市下方的沉積物地層,只有在它維持堅固的固體狀況下,才能讓都市穩定地運作;然而地震帶來的劇烈搖晃改變了一切,如同搖晃裝有番茄醬的玻璃瓶一樣,這些沉積物液化了。雖然都是相同的物理現象,但是不同於番茄醬內的長鏈分子因為搖晃而彼此分開,從小尺度上來看,地震的晃動讓水進入這些沉積物,使得沙土分開而流動。

路面上的汽車之所以不會下沉,是因為雖然重力把它往下拉,但是地面同時也足夠堅固,可以抵抗這種牽引。然而在基督城地震的那幾分鐘內,這種平衡卻被打破了,這些數十年來沒有移動過的沙地,隨著振動而被迫彼此之間錯開、滑動。若是振動造成的平移速度慢,在它上方的車子就安全無虞,然而強大的地震造成快速的平移,沙子與空隙中的水分被迫離開原來相對的位置,於是沙子彼此滑動,形成一種流質的泥沙混合物,同時脫離固體的狀態。因為振動而流動的沙土失去支撐力,牽引汽車的重力獲勝,於是車子開始下沉;不過當地震的振動結束之後,晃動減緩的沙子很快找到彼此之間的支撐而重新固化,搖晃結束後,許多原來在沙地上的車子都呈現半掩埋的狀態。

在沙漠中遇到流沙時,拚命掙扎的結果往往使人萬劫不復。圖/By Naturefreak @ Pixabay

這次的地震為基督城帶來史無前例的傷害,許多汽車掩沒在沙土當中,建築物的地基因為隨著周邊與下方沙土的移動而下沉、傾斜。這個稱為「液化」(liquefaction)的現象,通常只有地震這樣強大的能量釋放,才能晃動由大量沉積物組成的地層。不過如果搖晃的速度比較緩慢,這些沙子組成的地層有足夠的時間傳遞能量,就不會將能量留在其中而產生液化。這就是為什麼在沙漠中遇到流沙時,拚命掙扎的結果往往使人萬劫不復。因為人在流沙當中快速而大力地擺動四肢與身體,周圍被他擾動的流沙就形同液體,使得身在其中的受害者逐漸下沉;如果他以很緩慢的速度動作,沙子就會呈現固體的樣貌,大大增加脫困的機會。

振動的頻率取決於時間,所以你如果用不同時間去完成一些事情,例如快速搖晃番茄醬,或是緩慢地爬行在流沙中,就會得到截然不同的結果,重點在於「掌握時間」。


本文摘自泛科學8月選書《茶杯裡的風暴:丟掉公式,從一杯茶開始看見科學的巧妙與奧祕》,三采文化出版。

 


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為什麼吃甜的會蛀牙?——《生活中的東西都可以寫成化學式》

快樂文化
・2022/05/09 ・1404字 ・閱讀時間約 2 分鐘

來談談我們的敵人——蛀牙。

蛀牙的化學物語

導致蛀牙的主要原因有兩個。前面提過的蛀牙菌是其中一個因素,而蛀牙菌具體的名稱為「轉糖鏈球菌」,據說這種細菌常在孩童約三歲以前經由大人傳染,原因包括使用父母用過的筷子和湯匙,或輪流喝飲料等;另一個因素就是食物中所含的糖分,主要成分為「蔗糖」。

這兩個因素結合在一起時,就會發生以下情況:首先,轉糖鏈球菌利用蔗糖製造一種稱為「葡聚糖」的分子。葡聚糖的化學式為(C6H10O5)n,後面會再詳細說明。葡聚糖附著在牙齒表面,會成為轉糖鏈球菌的棲息地。此外,口腔中的其他細菌(根據統計,口腔中的細菌有 600 多種)也會混入其中。

這些附著在牙齒上的組合物稱為「牙菌斑」,有時也被稱為「齒垢」或「生物膜」(biofilm,又稱菌膜)。你可能在牙膏等的廣告中有聽過這些名詞。

之後,獲得棲息地的轉糖鏈球菌會產生大量的「酸」,引發去礦質作用,最終導致蛀牙。這個過程如下列所示。

轉糖鏈球菌生活在溫暖的葡聚糖裡,並分解出乳酸;事實上它們也會分解出醋酸,及一種稱為甲酸(HCOOH)的酸,但乳酸所佔的比例較高。這些酸會引發強烈的去礦質作用,溶解牙齒並造成蛀牙。

在這種情況發生前,必須好好刷牙,以澈底清除黏附在牙齒上的牙菌斑(葡聚糖+細菌)!即使是漱口,具黏性的牙菌斑也不易脫落,最有效的方法還是好好刷牙。而牙膏中含有研磨劑(可幫助去除汙垢的顆粒),能有效去除黏黏的牙菌斑。

不易蛀牙的甜食

上個單元我們說明了糖是如何引起蛀牙的。事實上也有一些分子的味道就和糖一樣甜,但卻不太容易引起蛀牙,其中最有名的分子之一就是「木糖醇」,你可能有聽過加了木糖醇的口香糖吧!這個分子的化學式為 C5H12O5,詳細的結構如下圖。

為什麼木糖醇味道甜甜的,卻不容易引起蛀牙呢?在回答這個問題前,我們先回想一下為什麼蔗糖(糖)會導致蛀牙。蔗糖是轉糖鏈球菌用來製造葡聚糖的材料,而反應過程中產生的果糖,會被轉糖鏈球菌做為養分來源,並分解出乳酸分子。

那木糖醇呢?首先木糖醇不像蔗糖是製造葡聚糖的材料,另外轉糖鏈球菌不會把木糖醇當成養分來源,所以也不會分解出乳酸。因此它們的味道雖然很甜,但卻不容易引起蛀牙。

這裡出現了一個問題。木糖醇和蔗糖的結構看來截然不同,但為什麼味道也是甜甜的呢?若像下圖一樣,稍微改變一下木糖醇的畫法,就會發現它的結構與構成蔗糖的葡萄糖和果糖很像,具有許多羥基這點也非常相似。

——本文摘自《生活中的東西都可以寫成化學式》,2021 年 11 月,快樂文化


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