Фізики з'ясували, як бульбашки у деяких газованих напоях можуть підійматися нагору прямою лінією, слідуючи одна за одною. З'ясувалося, тримати стрій їм допомагають вихори, які бульбашка утворює по боках від себе на своєму шляху. Якщо пара вихорів має однаковий напрямок, вона не збиває нижню бульбашку, а навпаки, втягує її течією. На структуру вихорів впливають розмір бульбашок або вміст поверхнево-активних речовин у напої, як-от жирних кислот у шампанському. Свої висновки вчені підтвердили за допомогою чисельного моделювання. Стаття опублікована у Physical Review Fluids.
Shutterstock / Billion Photos
Що вчених змусило вивчати бульбашки в ігристих винах?
Бульбашки в газованих напоях, зокрема ігристих винах, утворюються при виділенні надлишку вуглекислого газу з перенасиченої ним рідини. Щоб бульбашка піднялась з дна пляшки або склянки з напоєм, сила Архімеда, яка тягне її вгору, має подолати вплив поверхневого натягу, що утримує бульбашку на місці. Після того, як сплила одна бульбашка, за нею одразу формується нова, поки більша частина надлишкового вуглекислого газу не вийде з рідини. Швидкість підіймання бульбашок залежить від їхнього розміру і властивостей рідини. При цьому і самі бульбашки взаємодіють між собою, зокрема збурюючи рідину навколо під час руху нагору, що провокує хвилі і турбулентні потоки та впливає на траєкторію потоку бульбашок.
Однак, досі точно не відомо, як саме рух бульбашок визначає напрямок бульбашкового ланцюга. Цим питанням зайнялися фізики з Університету Тулузи спільно з американськими колегами з Браунського університету. Крім інтересу до ланцюжків бульбашок у напоях, дослідження допоможе у з'ясуванні ключових механізмів, які відповідають за розподіл бульбашок у потоках рідин в цілому.
Як вивчали бульбашки?
На дослідження фізиків надихнуло спостереження, що в шампанському, на відміну від інших газованих напоїв, бульбашки формують стійкі вертикальні ланцюжки. Для свого експерименту вчені використовували суміш води з гліцерином, а також попередньо дегазовані пиво, воду, ігристе вино та шампанське, яке наливали у прямокутні резервуари. На їхньому дні розміщували голки різних діаметрів, якими впирскували повітря для створення бульбашок, щоб контролювати їхній розмір. Різна швидкість впирскування повітря визначала відстань між бульбашками.
Рух бульбашок у воді, пиві та ігристому вині. O. Atasi et al., 2023
Що показали експерименти?
З'ясувалося, що на стабільність ланцюга бульбашок впливали два фактори: розміри бульбашок та наявність у рідині поверхнево-активних речовин (ПАР). У контрольній рідині фізики у якості ПАР використовували суміш води і гліцерину, а в шампанському та деяких видах пива ПАР-ами виступають жирні кислоти і білки, що відповідають за смак напоїв.
Вплив розміру бульбашок та кількості ПАР у рідині на їхній рух. На (а) розмір бульбашок більший, але рідина не містить ПАР, тоді як на (b) розмір бульбашок однаковий, але кількість ПАР більша. O. Atasi et al., 2023
Експерименти показали, що на рух бульбашок у ланцюжку впливає слід, який лишає кожна окрема бульбашка, підіймаючись нагору. Якщо під час руху бульбашка утворює різнонаправлені вихори у рідині навколо себе, то вони розштовхають бульбашки, які підійматимуться за нею.
Однак, великі бульбашки з великими числами Архімеда (відношення сили Архімеда до сили тяжіння, які впливають на бульбашку), а також бульбашки у насичених ПАР рідинах, утворюють пари вихорів однакового напрямку, які навпаки, створюють підіймальну силу, що допомагає утримувати ланцюжок бульбашок разом. На думку вчених, розмір бульбашок, а також вміст ПАР, деформує поверхні бульбашки, що впливає на структуру вихрового сліду за ними. Свої висновки вчені підтвердили за допомогою чисельного моделювання.