Efecto chocolate caliente

El efecto del chocolate caliente es un fenómeno de la mecánica ondulatoria en el que el tono que se escucha al golpear una taza de líquido caliente aumenta tras la adición de un polvo soluble. ^{[ 1 ] [ 2 ]} Se cree que este efecto se produce porque, al agitar inicialmente, las burbujas de gas atrapadas reducen la velocidad del sonido en el líquido, disminuyendo así la frecuencia. A medida que las burbujas se disipan, el sonido viaja más rápido en el líquido y la frecuencia aumenta.

El efecto se observó inicialmente al preparar café instantáneo y servir cerveza, pero también se produce en otras situaciones, como al añadir sal a agua caliente sobresaturada o cerveza fría. Investigaciones recientes han descubierto muchas más sustancias que generan este efecto, incluso en líquidos inicialmente no sobresaturados. ^{[ 3 ]}

Fue nombrado y popularizado por Frank Crawford del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley a partir de 1980 después de que Nancy Steiner le señalara el efecto, aunque este ya se había reportado varias veces en las décadas anteriores. ^{[ 4 ]}

El efecto se puede observar vertiendo leche o agua caliente en una taza, añadiendo cacao en polvo y golpeando el fondo con una cuchara. El tono de los golpes aumentará progresivamente, independientemente de la velocidad o la fuerza con la que se golpee. Si se vuelve a remover la misma solución (sin añadir más cacao en polvo), el tono disminuirá gradualmente, seguido de otro aumento. Este proceso se puede repetir varias veces hasta alcanzar el equilibrio. ^{[ 5 ]}

El fenómeno se explica por el efecto de la densidad de las burbujas sobre la velocidad del sonido en el líquido. La nota que se escucha es la frecuencia de una onda estacionaria, donde un cuarto de longitud de onda es la distancia entre la base de la taza y la superficie del líquido. Esta frecuencia f es igual a la velocidad v de la onda dividida por cuatro veces la altura de la columna de agua h.

${\displaystyle f={\frac {1}{4}}{\frac {v}{h}}}$

La velocidad del sonido v en un líquido o gas homogéneo depende de la densidad de masa del fluido (${\displaystyle \rho }$) y módulo de compresibilidad adiabático (${\displaystyle K}$), según la fórmula de Newton-Laplace:

${\displaystyle v={\sqrt {\frac {K}{\rho }}}}$

El agua es aproximadamente 800 veces más densa que el aire, y el aire es aproximadamente 15.000 veces más compresible que el agua. (La compresibilidad es la inversa del módulo de compresibilidad).${\displaystyle K}$Cuando el agua se llena de burbujas de aire, la densidad del fluido sigue siendo muy cercana a la del agua, pero su compresibilidad será la del aire. Esto reduce considerablemente la velocidad del sonido en el líquido. La longitud de onda es constante para un volumen dado de fluido; por lo tanto, la frecuencia (tono) del sonido disminuirá mientras haya burbujas de gas presentes. ^{[ 1 ]}

Diferentes velocidades de formación de burbujas generarán diferentes perfiles acústicos, lo que permitirá diferenciar los solutos añadidos. ^{[ 3 ] [ 6 ] [ 7 ]}

• La espectroscopia de disolución por resonancia acústica de banda ancha es una técnica espectroscópica que utiliza este efecto como principio fundamental.

• Sonido de una taza con y sin café instantáneo: una demostración acústica con espuma. Andrew Morrison y Thomas D. Rossing, 143.ª Reunión de la ASA, Pittsburgh.
• Vídeo demostrativo del efecto del chocolate caliente.