生活小常識：如何在咖啡豆漲價時泡出香醇咖啡
咖啡對科學家的重要性
在這個萬物皆漲的時代，咖啡對物理學家而言是研究必需品，能讓研究效率倍增 200%，堪比宇宙戰艦的波動砲。因此，國科會應讓科學家報帳買咖啡。
咖啡豆漲價的原因
近年全球氣候變遷，極端天氣頻發，阿拉比卡咖啡因對溫度敏感，產量銳減，導致咖啡豆價格暴漲，使咖啡因成癮的研究人員面臨咖啡資金短缺問題。
研究如何少用咖啡豆泡咖啡
美國賓州大學物理系科學家於 2025 年 4 月 8 日發表論文，探討手沖咖啡時水柱撞擊咖啡粉的雪崩現象，即“咖啡粉土石流”的流體力學。
實驗過程
- 實驗準備：用透明漏斗、杯子和粒徑 0.2 - 1 mm 的透明矽膠顆粒代替咖啡粉，用層光雷射照射，高速攝影機記錄。
- 實驗示意圖：涉及咖啡粉床高度（小 h）、水面高度（大 H）、水壺注水口高度（D）、水柱半徑（R）、水流速（v）等參數。
- 混合程度的計算：通過計算畫格紅色框框裡面的畫素亮度，得知水跟矽膠顆粒混合程度。水中無矽膠時呈黑色，混合越充分越白，混合程度稱為 Degree of Mixing，其極大值為 Mixing Index。
不同注水條件的實驗結果
- 粗水柱：使用 1/4 英寸管子注水，流速每秒 20 公克左右，高度從 2.5 公分增加到 22.5 公分，Mixing Index 隨高度增加而增加，因高處倒水水柱動能和衝擊速度大，能有效攪動顆粒。
- 細水柱：改用 1/8 英寸管子注水，高度拉高到 22.5 公分時，水柱變不連續水滴，水滴撞水面被撞碎，產生氣泡，衝擊無法有效到達矽膠粉床表面，混合效果變差，此為 Plateau-Rayleigh Instability。
氣泡漂浮層的影響
在矽膠中加入保麗龍小球模擬漂浮層，結果顯示混合程度仍隨注水高度上升而增加，表明氣泡漂浮層對整個過程影響不大。
咖啡粉土石流的雪崩動力學
- 侵蝕階段：水柱衝擊錐形漏斗粉床中心，部分顆粒被帶動懸浮，底部逐漸被挖空。
- 混合與堆積階段：懸浮顆粒攪動，慢慢推到旁邊，沉積在漏斗錐體邊緣，顆粒從中心向外移動，中間空穴變大。
- 雪崩階段：邊緣顆粒越堆越多，粉床表面變陡峭，顆粒失去支撐向內崩落，內部顆粒劇烈下滑，填滿中心區域，循環進行，使咖啡粉與熱水充分混合。
真正咖啡的實驗
- 實驗裝備：採用宏都拉斯 Simply Nature 有機咖啡豆，義大利 Eureka Mignone Silenzio 磨豆機，HARIO V60 透明濾杯和 HARIO VCF - 02 - 100W 濾紙，KitchenAid KEK 1032 細口壺。
- 實驗過程：用 95℃熱水 150 公克沖泡，取 20 公克咖啡液在 100℃下烘乾 14 - 16 小時，量出咖啡總溶解固體含量，比較不同倒水方式的萃取效果。
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實驗結果：
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粗水柱（直徑 3 - 5 mm，流速每秒約 15 公克）：隨注水高度增加，總溶解固體含量增加，能萃取出更多固體物質。
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細水柱（直徑 1 - 2 mm，流速每秒約 5 公克）：因流速低，沖泡時間長，增加注水高度無明顯效果，長時間已達最佳萃取效率。
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結論與應用
- 結論：手沖咖啡時，盡量讓水柱細，但避免發生 Plateau Rayleigh Instability。技術不行可用粗水柱，舉高水壺增加高度也能達到效果，在咖啡通膨時可用更少咖啡豆泡出香醇咖啡。
- 應用：研究不僅幫助物理學家泡好咖啡、節省咖啡豆，還可應用於水壩管理、瀑布侵蝕岩石、工業污水處理設備攪動混合，甚至預警防範土石流。
節目尾聲
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