"поверка алгеброй гармонии придает новый вкус напиткам"
Сальери

ДЖИРЛ УОЛКЕР
кофе по-турецки
(В мире науки, 1983 №6 стр 114-118)

КОФЕ по-турецки — это крепкий напиток, получаемый из мелкоразмолотых кофейных зерен и сахара. Сахар смягчает горький вкус напитка, однако я считаю, что сахар, кроме того, играет немаловажную роль в приготовлении кофе. Смесь мелкоразмолотого кофе, сахара и воды нагревается в специальном сосуде — турке, который слегка сужается кверху и снабжен длинной ручкой. Кофе быстро доводится до кипения и разливается по специальным кофейным чашечкам, которые по обьему примерно в два раза меньше обычной кофейной чашки. В чашечки попадает смесь жидкости, пены и кофеинок. Пену на Ближнем Востоке ценят необычайно высоко. Некоторые даже говорят, что налить гостю чашку кофе без пены — значит нанести ему оскорбление.

Прежде чем начать пить кофе, его выдерживают в чашечке несколько минут. За это время гуща оседает на дно. Если напиток выпить слишком рано, неприятная гуща не успеет осесть. После того как она осядет, кофе пьют не торопясь, маленькими глотками, до тех пор, пока в чашечке не останется лишь осадок, который по своей консистенции напоминает густую грязь.

Готовя напиток чашку за чашкой, я провел не один час в размышлениях о том, как варится кофе по-турецки и как образуется осадок. Мне кажется, что кофе — это единственный напиток, в котором частички зерен плавают в жидкости после того, как он сварен. Замечателен он также и во многих других отношениях. Почему кофе необходимо перемалывать в пудру? (Покупая кофе для приготовления напитка по этому рецепту, необходимо просить, чтобы его помололи очень мелко.) Почему сахар сразу кладут в турку, а не позже, в чашечку, как в остальных случаях? Почему при приготовлении кофе пена неожиданно поднимается по стенкам турки? Сколько времени нужно ждать, чтобы все частицы кофе наверняка осели на дно чашки?

Я покупаю кофе мелкого помола, жаренный по-венски или по-французски. Оба вида темнее почти всех продаваемых в США сортов; это значит, что их жарили дольше и они потеряли часть ароматических веществ. Тем не менее, по моему мнению, от сорта кофе зависит только вкус напитка.

Я варю кофе в оловянной турке, достаточно большой, чтобы кофе хватило на две порции, каждая примерно по две унции (около 60 мл) жидкости. Однако обычно готовлю только одну чашку за раз, иначе пена образуется так быстро, что кофе выливается на плиту. Воды в турку наливаю немного меньше, чем необходимо для одной порции, затем добавляю две чайные ложки молотого кофе и от одной до четырех чайных ложек сахару (емкость чайной ложки — 5 мл).

Некоторые любители кофе перемешивают ингредиенты прежде, чем поставить турку на плиту, но я так не делаю, а сразу ставлю турку на конфорку электрической плиты, включенной на полную мощность. Вскоре смесь начинает шуметь и булькать. Через несколько минут шум внезапно прекращается и начинается образование пены, которая устремляется вверх. Переход совершается так быстро, что подчас я не успеваю снять турку с конфорки и кофе убегает. Если теперь медленно налить кофе в чашку, часть пены остается в турке и быстро разрушается.

Чтобы проследить, что происходит с кофе в процессе приготовления, я заменил турку 180-миллилитровым стаканом из тугоплавкого стекла “пирекс”, опять налил воду и положил кофе в количестве, нужном для приготовления одной чашки. Кофе плавал сверху и очень медленно намокал. Очевидно, частицы кофе удерживаются электрическими силами, а вода очень медленно проникает между ними. Хотя кофеинки тяжелее воды и должны были бы оседать, сгустки содержат достаточно адсорбированного воздуха, который удерживает их на плаву.

В кофе я добавил две чайные ложки сахару. Большая часть сахара опустилась на дно, захватив с собой несколько комочков кофе. Когда я поставил стакан на конфорку, довольно прозрачный слой воды отделял слой сахара от кофе.

Даже в том случае, когда я размешивал ингредиенты перед тем, как поставить кофе на плиту, появлялись все те же три слоя. В холодной воде сахар растворяется медленно и оседает на дно после помешивания потому, что тяжелее воды. В то же время крупинки кофе даже при помешивании сохраняют достаточно адсорбированного воздуха, благодаря чему большая часть из них удерживается на поверхности. Единственное отличие в данном случае состояло в том, что при перемешивании часть кофе оказывалась в слое воды.

Вскоре после включения конфорки в нескольких местах на дне стакана появляются быстро вибрирующие пузырьки воздуха. Воздух поглощается кристаллами сахара или растворяется в воде между ними. Как только в каком-то месте зарождались пузырьки, здесь начиналось интенсивное выделение воздуха из воды и сахара. Вибрацию пузырьков легко объяснить: поднимаясь в более прохладные слои (в данном случае в концентрированный раствор сахара в воде), они внезапно сжимаются. Вскоре, однако, они вновь нагреваются и увеличиваются в размерах. Быстрые, хаотичные колебания пузырьков воздуха создают шум и бульканье, которые характерны для начальной стадии нагревания жидкости.

В конце концов пузырьки воздуха и пары воды освобождаются и устремляются вверх через слой сахара. Когда они проникают в верхнюю часть слоя и попадают в чистую воду, их движение замедляется. Вода холоднее, чем слой сахара, и пузырьки сжимаются.

Направив на стакан луч фонаря, я смог увидеть идущие вверх нити сахарного раствора, возникающие после схлопывания каждого пузырька. Нити видны потому, что их показатель преломления отличается от показателя преломления воды. Нити закручивались и свивались, а затем падали на слой сахара. Иногда вслед за нитями двигались маленькие частицы сахара (или капли концентрированного сахарного раствора).

Вскоре начинает бурлить весь сахарный слой. Если до сих пор передачу тепла в верхний слой воды обеспечивали пузырьки, то теперь начинают доминировать конвекционные потоки. Благодаря различию показателей преломления удается наблюдать некоторые из этих потоков. При дальнейшем нагревании бурлящий сахарный слой поднимается и проникает в слой воды. Хотя турбулентные потоки или отдельные пузырьки из верхнего слоя сахара иногда достигают нижней границы кофейного слоя, бурление, происходящее в нижних слоях, вначале не влияет на частицы кофе. Наконец, бурлящий слой сахара достигает частиц кофе, они покрываются мелкими пузырьками воздуха и начинают блестеть. Диаметр пузырьков не превышает миллиметра. Как только бурлящий сахарный слой достигает слоя кофе, частицы кофе перемешиваются и выделяют множество крошечных воздушных пузырьков. Эти пузырьки образуют быстро возникающую пену. Через несколько секунд объем пены становится в три раза больше первоначального объема смеси.

Когда начинается перемешивание частиц кофе, шум и бульканье исчезают. Шум возникает при формировании крупных пузырьков воздуха на дне стакана. Как только частицы кофе достигают дна, они создают множество центров зарождения мелких пузырьков; при этом крупные пузырьки, создающие шум, исчезают.

Чтобы снять с плиты горячий стакан, я пользуюсь длинными щипцами. Если держать стакан над горячей конфоркой, можно регулировать процесс образования пены: его скорость уменьшается по мере удаления стакана от источника тепла. Сначала образуются мелкие пузырьки, но по мере продвижения наверх они сливаются с другими пузырьками и превращаются в большие. Большие пузырьки исчезают, когда кофе разливают по чашкам. Пена, которую так ценят некоторые любители кофе по-турецки, состоит из крошечных пузырьков, налипших на частицы кофе в то время, когда начиналось ее формирование. Когда кофе разливается по чашкам, часть крошечных пузырьков отрывается от кофеинок и образует островки, которые могут сохранять свою форму довольно долго.

Мне не всегда удается получить такие островки в своем кофе. Если же они образуются, то могут оставаться в чашке в течение нескольких часов, если их не тревожить. Стабильность пузырьков наряду с другими причинами объясняется тем, что сахар увеличивает вязкость жидкости. В островке из пузырьков жидкость, образующая разделяющие их стенки, постепенно опускается под действием силы тяжести. Стенки становятся все тоньше и тоньше, пока пузырьки не лопнут или не сольются. Чем больше вязкость жидкости, тем медленнее она движется. В моем кофе уменьшение толщины стенок пузырьков происходило очень медленно.

Чтобы изменить условия, я приготовил кофе без сахара. Сгустки кофе опять плавали в верхнем слое. Когда я поставил стакан на конфорку, вода стала быстро и с шумом нагреваться. Появились и начали вибрировать пузырьки воздуха. Затем образовались пузырьки паров воды.

Вскоре потоки этих пузырьков разорвали слой кофе, и его частицы быстро рассеялись по всему объему жидкости. Хотя островки кофе потеряли часть воздуха и, следовательно, плавучесть, адсорбированный воздух в частицах все же остался. Они опускались на дно только потому, что в стакане создались сильные конвекционные потоки. Образовались мелкие пузырьки, и началось формирование пены. Все это происходило быстрее, чем при варке кофе с сахаром.

Я провел еще несколько опытов, например, нагревал только сахар (две чайные ложки) и воду. Как и ранее, сахар оседал на дно и нагревался в первую очередь. Вновь возникали пузырьки и бурная конвекция. Когда смесь бурно кипела, пузырьки появлялись наверху, но пена образовывалась медленно. Пузырьки были сравнительно большими (несколько миллиметров в диаметре) и недолговечными.

Через несколько минут жидкость становилась прозрачной. Это говорило о том, что сахар полностью растворился в воде и распределился равномерно по всему объему. Даже когда жидкость остывала до комнатной температуры, сахар оставался в растворе. Очевидно, что количество обычно используемого для получения напитка сахара не превышает предела насыщения раствора.

Далее я вскипятил в стакане обычный объем воды, но не положил сахару. После того как вода закипела, я добавил одну чайную ложку кофе. Почти сразу же частицы кофе закружились по всему стакану и на них появились крохотные пузырьки. Образование пены происходило так быстро, что часть напитка сбежала на плиту прежде, чем я успел снять стакан с конфорки.

В другом случае я заменил сахар равным количеством меда. Сначала я налил в стакан мед, потом воду и, наконец, положил кофе. Когда мед начал нагреваться, появились крошечные гейзеры, которые поднялись до слоя воды. Показатели преломления жидкости в гейзере и воды различны, поэтому я смог наблюдать гейзеры, направив на стакан луч света от фонаря. Иногда гейзер отрывается от основного слоя меда, но вновь падает на него, так как мед тяжелее воды. Часто струя идущей вверх жидкости образует петли или от нее отрываются капельки меда. Часть этих капель остается какое-то время в одном и том же положении, очевидно, потому, что их плотность практически равна плотности воды.

На этом этапе исследований я смог ответить на ряд своих вопросов о приготовлении кофе по-турецки. Принцип приготовления — быстро сварить перемолотые зерна. Если кофе переварить, напиток оказывается слишком горьким и кисловатым на вкус. Тогда он напоминает обычный кофе, который слишком долго кипел в кофейнике. Зерна для приготовления кофе по-турецки размалываются очень мелко, поэтому процесс варки протекает очень быстро. Образование пены — побочный эффект. Частицы кофе настолько малы, что площадь поглощающей воздух поверхности достаточно велика. Крошечные воздушные полости служат центрами зарождения пузырьков. Когда кофе и вода нагреваются, воздух, растворенный в воде, выделяется из нее в местах расположения зародышей, формируя крошечные, едва видные пузырьки.

Когда горячий слой жидкости доходит до слоя кофе, вода, испаряясь внутрь пузырьков, вызывает их расширение. Пузырьки отрываются, отделяясь от центров зарождения, и из больших пузырьков формируется пена, которая устремляется вверх. Однако многие центры зарождения пузырьков на частицах сохраняют свою активность, потому что удерживают часть воздуха или паров воды после отделения пузырька. Более того, теперь они перемещаются в воде вблизи нагретого дна стакана. Выделение пузырьков продолжается, пока температура жидкости достаточно высока, чтобы могли образоваться пары воды.

Сахар добавляется до варки кофе по ряду причин. Нагревание обеспечивает полное растворение сахара к тому моменту, когда кофе готов к употреблению. Если положить сахар после того, как кофе налит в чашки, его придется размешивать, чтобы он растворился. Тогда частицы кофе будут находиться во взвешенном состоянии гораздо дольше. К тому моменту, когда они осядут на дно, кофе успеет остыть.

Кроме того, сахар облегчает процесс приготовления напитка. Вязкий слой сахара на дне турки лучше удерживает тепло, чем вода. Если бы кофе варился без добавления сахара, то пузырьки паров воды раньше передали бы тепло частицам кофе. Добавление сахара уменьшает скорость образования пузырьков и замедляет теплопередачу. Тепло и нагретый турбулентный слой раствора сахара значительно позже достигают слоя кофе и нагревают его. Нагрев и варка самого кофе протекают в течение короткого промежутка времени. Варка начинается в тот момент, когда горячий слой доходит до кофе, и заканчивается менее чем через минуту, когда кофе грозит сбежать из турки.

Наконец, сахар играет немаловажную роль в приготовлении кофе потому, что стабилизирует пену. Без сахара пена вряд ли сохранится, когда кофе разливается по чашкам.

Хотя процесс варки кофе протекает быстро, не следует отводить на него слишком мало времени. Когда я варю сразу две порции в турке, у меня часто получается напиток, в котором плавают взвешенные частицы кофе. При этом не имеет значения, сколько времени я жду. Крупные частицы зерен все равно не оседают на дно, потому что все еще содержат достаточное количество адсорбированного воздуха, который поддерживает их на плаву. Подчас они даже остаются в комках. Поскольку в данном случае в турке находится слишком много жидкости, приходится снимать ее с конфорки гораздо раньше, так как иначе пена сбежит. В результате время от того момента, когда горячий турбулентный слой сахара достигает слоя кофе, и до момента, когда кофе разливается по чашкам, слишком мало, чтобы выделился весь поглощенный воздух. Практика показала, что следует готовить только одну порцию за раз. Если же необходимо приготовить большее количество, надо снимать турку с конфорки, чтобы не дать пене сбежать, и варить кофе достаточно долго.

Затем меня заинтересовали вопросы, связанные с тем, что происходит, когда частицы кофе оседают на дно чашки. Каждая частица опускается примерно с постоянной скоростью. Поскольку скорость оседания взвешенных частиц имеет важное значение для науки и техники, немало времени и сил было потрачено на разработку теории, объясняющей скорость оседания частиц в воде.

Если диаметр частиц не превышает приблизительно 0,06 мм, их движение подчиняется закону Стокса. Скорость маленькой частицы зависит от двух факторов: эффективного веса частицы и силы сопротивления со стороны жидкости. Эффективный вес равен разности между действительным весом частицы и выталкивающей силой, действующей на нее со стороны жидкости. Эта разяость обычно выражается через плотности частицы и жидкости. Поскольку плотность частицы кофе больше плотности воды (и плотности смеси сахара с водой), выталкивающая сила недостаточна, чтобы воспрепятствовать оседанию частицы. Ее эффективный вес — это направленная вниз сила, которая меньше действительного веса.

В то же время на опускающуюся частицу действует направленная вверх сила сопротивления. По закону Стокса сила сопротивления зависит от диаметра частицы, ее скорости и вязкости жидкости. Когда, частица начинает опускаться, ее скорость и соответственно сила сопротивления малы. Падение постепенно ускоряется, и вскоре частица приобретает такую скорость, при которой сила сопротивления оказывается равной эффективному весу самой частицы. В результате частица начинает двигаться с постоянной скоростью. Конечная скорость частицы зависит от ее размера. Чем частица меньше, тем медленнее она оседает на дно.

Величина конечной скорости зависит также от вязкости жидкости. Поскольку сахар увеличивает вязкость, у всех частиц конечная скорость уменьшается ” по сравнению со скоростью движения в жидкости без сахара.

К досаде тех, кто пьет кофе по-турецки, закон Стокса применим лишь к сферическим поверхностям. Кофеинки, размеры которых достаточно малы, чтобы на них распространялся этот закон, имеют неровную поверхность, поэтому действующую на них силу сопротивления рассчитать невозможно. Тем не менее общая зависимость от размера частицы всегда сохраняется: чем меньше частицы, тем дольше они падают.

Многие частицы в кофе по-турецки имеют слишком большие размеры и поэтому не подчиняются закону Стокса, согласно которому сила сопротивления линейно зависит от скорости оседания частицы в жидкости. На более крупные частицы действует сила сопротивления, пропорциональная квадрату скорости их оседания. Кроме того, в формулу для силы сопротивления входит также экспериментально найденный коэффициент, который учитывает влияние неправильной формы частицы.

Нельзя также забывать, что если через определенный объем жидкости проходит много частиц, то это сказывается двояким образом. Во-первых, увеличивается эффективная плотность жидкости и, следовательно, уменьшаются эффективный вес частицы и скорость ее оседания. Во-вторых, частицы, проходя одна мимо другой по пути вниз, взаимодействуют между собой. Однако, несмотря на эти усложняющие обстоятельства, остается справедливым то же правило: чем меньше частица, тем медленнее она опускается.

Для демонстрации правила я влил небольшое количество свежесваренного кофе по-турецки в высокий прозрачный кувшин с водой и в течение часа не мешал воду. Свежесваренный кофе я использовал потому, что хотел, чтобы частицы кофе потеряли практически весь адсорбированный воздух. Недоваренные частицы стремились бы плавать на поверхности.

Фонарь помог мне проследить за тем, как частицы оседают. Большие частицы быстро опустились на дно со скоростью примерно сантиметр в секунду. Меньшие опускались гораздо дольше. Чтобы осесть на дно, самым маленьким частицам потребовалось 10 и более минут.

Скорость оседания частиц в чашке несколько отличается от наблюдавшейся во время моего опыта. Число частиц в единице объема достаточно велико, поэтому вполне вероятно, что они взаимодействуют во время падения. Более того, жидкость имеет достаточно высокую температуру, поэтому в ней возникают циркуляционные потоки. Горячая жидкость поднимается со дна наверх, охлаждается за счет испарения и опускается вниз. Циркуляция образует так называемые области Бенара, названные в честь французского ученого Анри Бенара. В некоторых жидкостях и при определенных условиях нагревания эти области создают на поверхности стабильный геометрический узор.

В моем кофе узор хаотичен и постоянно изменяется. Лучше всего узор виден, когда в кофе нет пены, поскольку она не только закрывает поверхность, но и влияет на скорость испарения. Я направил свет так, чтобы он отражался от поверхности кофе, и увидел, что непосредственно над участком восходящей горячей жидкости взвешены крошечные капельки. Они конденсируются из паров воды вблизи поверхности. Над участком опускающейся жидкости капелек я не замечал. Так как капельки отражают свет, участок восходящего потока выглядит несколько более светлым, а нисходящего — имеет цвет черного кофе. Области Бенара в чашке кофе без частиц — это новость. В кофе по-турецки циркуляция в области Бенара задерживает оседание частиц.

Результат всех этих экспериментов таков: когда пьешь кофе по-турецки, необходимо найти золотую середину — нужно выждать достаточно долго для того, чтобы большие частицы кофе осели на дно чашки и уменьшилась циркуляция Бенара, но не допустить, чтобы кофе остыл. Пена помогает не упустить этот момент, так как пузырьки, содержащие пары воды, образуют изолирующий слой и уменьшают скорость остывания.

 
site map