Фізика
Фізика

Фізики відкупорили шампанське і роздивилися динаміку газу

Команда фізиків взялася дослідити, як поводиться себе газ, коли відкрита пляшка ігристого вина видає звук «хлоп!». У ході моделювання гідродинаміки з'ясувалося, що потік газу з пляшки здатен розвинути надзвукову швидкість після того, як корок більше не заважає. Однак, всього на мілісекунду — доти, поки у пляшці критично не знизиться тиск. Результати експериментів з шампанським опубліковані у журналі Physics of Fluids.

Getyy Images

Getyy Images

Чому б фізикам просто не випити шампанського?

Французьке ігристе вино або те, що ми зазвичай називаємо шампанським, стало популярним саме завдяки бульбашкам вуглекислого газу, які народжуються разом з етанолом у процесі бродіння винограду. І насправді цей процес є практичним використанням закону Генрі — маса газу, розчиненого у рідині, пропорційна тиску газу над поверхнею рідини. А шипіння або навіть піна, яка швидко виплескується назовні, варто необережно відкрити пляшку — це прагнення тиску над рідиною якнайшвидше зрівнятися з атмосферним. І тому краще пити шампанське охолодженим. Це фізики, до речі, теж уточнювали і моделюванням, і за допомогою інфрачервоної термографії.

Розливання шампанського різної температури по бокалах в об'єктиві інфрачервоної камери. Gérard Liger-Belair et al. / J. Agric. Food Chem, 2010

Розливання шампанського різної температури по бокалах в об'єктиві інфрачервоної камери. Gérard Liger-Belair et al. / J. Agric. Food Chem, 2010

А у своїй новій роботі фізики з університетів Франції та Індії вирішили змоделювати, що відбувається із потоком газу, який виривається з пляшки під час її відкорковування. Для цього вони скористалися експериментами з наповненою вуглекислим газом пляшкою і точною моделлю цієї пляшки.

Яке шампанське відкривали фізики?

Моделювання засноване на точному геометричному профілю пляшки, наповненої газоподібним вуглекислим газом. Початковий тиск і температура склали 7,5 бара та 20 градусів Цельсію. У моделюванні врахували зовнішнє середовище, де вуглекислий газ з пляшки має вільно розширюватися, та внутрішнє середовище, де між поверхнею рідини у пляшці і її корком знаходилося близько 35 сантиметрів кубічних газу. Також фізики знехтували змінами у формі самого корка під час відкривання пляшки, а тому взяли за діаметр 1,8 сантиметра і швидкість вильоту як 18,6 метра на секунду (цей параметр отримали у ході експериментів).

Вискакування корка з шийки пляшки за температури 20 градусів Цельсію, що фізики записали на високошвидкісну камеру. Час позначено у мікросекундах.  Abdessamad Benidar et al. / Physics of Fluids, 2022

Вискакування корка з шийки пляшки за температури 20 градусів Цельсію, що фізики записали на високошвидкісну камеру. Час позначено у мікросекундах. Abdessamad Benidar et al. / Physics of Fluids, 2022

Як відкривається шампанське?

У процесі відкривання корка, одночасно з його виштовхуванням з шийки пляшки під дією тиску, газовий шлейф, що складається в основному із вуглекислого газу (зі слідами водяного пару), вільно розширюється з шийки через навколишнє повітря та стикається з адіабатичним охолодженням. Раніше дослідження за допомогою високошвидкісної камери показало, що газові струмені поширюються у надзвуковому режимі. Взаємодія надзвукового вільного струменя з нерухомим газом, що знаходиться нижче по потоку, призводить до утворення так званих дисків Маха або ударних діамантів — повторюваних хвильових структур, які виникають при стисканні і розширенні струменя газу при зустрічі з атмосферним тиском. Вони іноді нагадують форму ромба або диска, за що і отримали таку назву.

Однак, на відміну від ракетних двигунів, надзвуковий струмінь, який виривається з пляшки з ігристим, викидається з обмеженого резервуара і стикається з перешкодою, що рухається, — корком. Тобто газова суміш, що викидається з вузького місця, має адаптуватися до атмосферного тиску через послідовність ударних хвиль, але також має зіткнутися перешкодою на своєму шляху. І при цьому відстань між виходом газу (вузьким місцем) і перешкодою (корком, що летить) з часом змінюється. Цей процес і хотіли чисельно описати науковці.

Що у них вийшло?

Оскільки початковий тиск у пляшці перевищує дві атмосфери, безсумнівно, що газ, який міститься в ній, досягне надзвукового режиму при викиді в атмосферу. Однак, як з'ясувалося в ході моделювання, газ проходить три різні етапи, вириваючись назовні після відкривання пляшки.

У перші 500 мікросекунд, коли корок відкривається, він все ще знаходиться так близько до шийки пляшки, що тиск газу, що знаходиться між ним і пляшкою, все ще складає кілька барів, що значно перевищує необхідний критичний тиск. Тому потік газу прискорюється доти, доки не досягне максимально доступної швидкості близько 200 метрів за секунду, але все ще не надзвукової. Причому у газу немає іншого виходу, крім як почати виходити убік, утворюючи яскраве розширення у вигляді корони, у якому можна знайти ударні діаманти.

Моделювання вільного розширення вуглекислого газу після того, як корок вискочив з пляшки. На 500 мікросекунді можна побачити формування ударних діамантів. Abdessamad Benidar et al. / Physics of Fluids, 2022

Моделювання вільного розширення вуглекислого газу після того, як корок вискочив з пляшки. На 500 мікросекунді можна побачити формування ударних діамантів. Abdessamad Benidar et al. / Physics of Fluids, 2022

Потім починається друга фаза, коли корок достатньо далеко віддаляється, щоб у газу з'явилася можливість розігнатися до надзвукової швидкості до 1,6-1,8 числа Маха. Це приблизно від 600 до 1 000 мікросекунд на часовій шкалі. Втім, після цього газ вдаряється об область ущільнення, яка з'явилася в результаті ударної хвилі, і його швидкість знову стає дозвуковою. Після 1 000 мікросекунд тиск у пляшці падає і його стає недостатньо, щоб підтримувати надзвуковий рух, а тому газ далі продовжує поширюватися на дозвуковій швидкості.

Моделювання залежності числа Маха від часу вільного розширення вуглекислого газу після вискоку корка. Перші сім зображень серії показують надзвуковий характер потоку (число Маха > 1), а з восьмого зображення тиск у пляшці знижується, тому газ втрачає швидкість. Abdessamad Benidar et al. / Physics of Fluids, 2022

Моделювання залежності числа Маха від часу вільного розширення вуглекислого газу після вискоку корка. Перші сім зображень серії показують надзвуковий характер потоку (число Маха > 1), а з восьмого зображення тиск у пляшці знижується, тому газ втрачає швидкість. Abdessamad Benidar et al. / Physics of Fluids, 2022

Автори роботи зазначають, що хоча їхнє дослідження було спрямоване на розшифровку процесу відкривання шампанського, він дуже схожий на те, як взаємодіють реактивні струмені палива, наприклад, ракет із землею. А значить, їхню модель можна пристосувати і до аерокосмічних досліджень, а не тільки до пляшок з ігристим.

Де ще ховається цікава фізика

🖐️🧼 Нещодавно один американський фізик вперше описав миття рук як гідродинамічну модель. З'ясувалося, руки дійсно варто мити не менше 20 секунд.

🍻 🥏А німецькі фізики зібрали метальну установку для підставок під пивні келихи і з'ясували, чому з них виходять погані фрисбі.

🧊Французькі фізики ж захопилися дзен-каменями та з'ясували, як саме їм вдається відрощувати ніжки з криги, щоб підійматися над поверхнею.