Физика открывания шампанского: удивительные факты о пузырьках и ударных волнах

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com

Когда мы открываем бутылку шампанского, мы слышим характерный хлопок пробки и видим небольшое облачко дыма, которое может быть разного цвета. Но что же на самом деле происходит в этот момент? Какие физические явления скрываются за этим, казалось бы, простым ритуалом? И почему это важно не только для любителей шипучих напитков, но и для ракетной техники?

Автор: Designer

Откупоривание — не простое дело

Может показаться, что откупоривание бутылки шампанского — это простой процесс, который легко объяснить. В бутылке под высоким давлением находится смесь жидкости и газа, состоящего в основном из углекислого газа (CO2). Когда мы снимаем проволочный фиксатор и начинаем вытаскивать пробку, давление в бутылке резко падает, и газ начинает быстро вытекать наружу, выталкивая пробку из бутылки.

Однако, если мы посмотрим на этот процесс более внимательно, мы обнаружим, что он сопровождается рядом сложных и неожиданных явлений, которые требуют серьезного математического и численного анализа. Такой анализ был проведен впервые учеными из Технического университета Вены (TU Wien) с помощью сложных компьютерных моделирований, которые позволили рассчитать поведение пробки и потока газа с высокой точностью.

Сверхзвуковой газ и ударная волна

(a) Вычислительная область сопряженной системы узкое место – пробка – газ (начальные условия); (b) детализация графика плотности через ? = 0,5 мс
(a) Вычислительная область сопряженной системы узкое место — пробка — газ (начальные условия); (b) детализация графика плотности через ? = 0,5 мс
Автор: arXiv (2023). DOI: 10.48550/arxiv.2312.12271 Источник: phys.org

Оказалось, что скорость газа, вытекающего из бутылки, может достигать очень высоких значений — до 400 метров в секунду, что больше, чем скорость звука в воздухе (около 340 метров в секунду). Это означает, что газовая струя преодолевает звуковой барьер и становится сверхзвуковой. А это, в свою очередь, приводит к образованию ударной волны в газе.

Ударная волна — это особый тип волны, в котором происходят резкие скачки физических величин, таких как давление, температура и скорость. В обычных волнах, таких как звуковые, эти величины меняются плавно и непрерывно. Но в ударной волне они меняются дискретно и скачкообразно. Точка, в которой происходит такой скачок, называется диском Маха. Он назван в честь австрийского физика Эрнста Маха, который первым изучал сверхзвуковые явления.

Диск Маха сначала образуется между бутылкой и пробкой, а затем перемещается обратно к отверстию бутылки. Он также является источником характерного хлопка, который мы слышим при откупоривании. На самом деле, этот звук — это сумма двух эффектов: во-первых, это волна давления, создаваемая расширением пробки, когда она покидает горлышко бутылки, и во-вторых, это ударная волна, порожденная сверхзвуковой газовой струей. Эти два эффекта очень похожи на аэроакустическое явление звукового удара, которое возникает, когда сверхзвуковой самолет или ракета пролетает мимо наблюдателя.

Цветной дым и сухой лед

Автор: Designer

Еще одним интересным эффектом, который сопровождает откупоривание шампанского, является образование облачка дыма, которое может быть разного цвета — от белого до синеватого. Этот цвет зависит от температуры шампанского и размера частиц, которые образуются в газе.

Когда газ расширяется, он охлаждается. Это известный физический закон, который мы можем наблюдать, например, при использовании аэрозольных баллончиков. В случае шампанского, охлаждение может быть настолько сильным, что температура газа падает до -130 градусов Цельсия в некоторых точках. При такой температуре углекислый газ, который делает шампанское шипучим, может переходить в твердое состояние и образовывать кристаллы сухого льда.

Размер этих кристаллов зависит от исходной температуры шампанского: чем она выше, тем больше кристаллы. А размер кристаллов, в свою очередь, влияет на то, как они рассеивают свет. Чем меньше кристаллы, тем больше они рассеивают коротковолновый свет, то есть синий. Поэтому, если шампанское было достаточно холодным, дымок будет белым, а если теплым, то синеватым. Таким образом, мы можем определить температуру шампанского по цвету дымка.

Почему это важно?

Вы можете спросить: зачем нужно изучать физику откупоривания шампанского? Разве это не слишком тривиальная и незначительная тема для серьезной науки? На самом деле, нет. Это исследование не только раскрывает интересные и неожиданные явления, которые происходят в нашей повседневной жизни, но и имеет важное практическое значение для других областей, связанных с потоками газа вокруг твердых тел.

Такие потоки возникают, например, при стрельбе из огнестрельного оружия, запуске ракет или полете сверхзвуковых самолетов. В этих случаях важно знать, как ведет себя газ при сверхзвуковых скоростях, какие ударные волны образуются и как они влияют на аэродинамику и теплообмен. Те же самые уравнения механики жидкости, которые использовались для моделирования откупоривания шампанского, могут быть применены и к этим задачам, с учетом разных граничных условий и параметров.

Таким образом, изучение физики шампанского может помочь не только улучшить качество и безопасность шипучих напитков, но и развить новые технологии в области военной и космической индустрии. Кроме того, это исследование демонстрирует, как наука может находить интересные и сложные явления в самых обычных и знакомых нам вещах. Поэтому, когда вы будете открывать бутылку шампанского на новогоднюю ночь или другой праздник, не забудьте о том, что происходит в этот момент на молекулярном уровне, и о том, как это может быть полезно для человечества.

8 комментариев

Добавить комментарий

a
Претенденты на шнобелевскую премию?
Ruby_Rougarou
Андрей, а Вы когда-нибудь люстру пробкой разбивали?
C
Давно видел, как «сову» пробкой минимум покалечили.
a
Я умею открывать шампанское, научили еще в молодости. А разбитые люстры — это проблемы тех, кто не соблюдает элементарную технику безопасности.
Ваш вопрос ко мне не имеет отношения к физике явления, исследование которого хорошо подходит к типичным исследованиям для шнобелевской премии. Посмотрите сами: почему занавеска душа прогибается внутрь, левитация хомяка… Нельзя сказать, что это не серьезные исследования, но они никому особенно не нужны.
Ruby_Rougarou
Вопрос шуточный, и не имел намерения Вас обидеть, если вдруг Вы обиделись) По поводу шнобеля соглашусь лишь отчасти)
a
Вот потому и не разбивал, что в некоторых случаях шуток не понимал. Во всяком случае точно знал, что просто так пойти в магазин и купить люстру не получится в условиях «все по блату». ;-)
332077035986@odnoklassniki
Когда мы снимаем проволочный фиксатор и начинаем вытаскивать пробку, давление в бутылке резко падает, и газ начинает быстро вытекать наружу, выталкивая пробку из бутылки.

У ВАС проблемы с физикой и логикой. Давление в бутылке с шампанским высокое и составляет несколько атмосфер (до 5-6) — именно это давление и выталкивает пробку из бутылки(а у Вас падающее давление начинает выталкивать пробку :)) Температура! — углекислый газ хорошо растворим в воде при высокой температуры и плохо растворяется, когда холодно — именно с этим и связано вытекание :) шампанского из бутылки или не вытекание. Если напиток тёплый, то углекислого газа в шампанском много и при открывании бутылки пузырьки газа поднимаясь к поверхности увлекают за собой и шампанское — и мы получаем красивое зрелище, но если шампанское хорошо охладить, то в самом напитке будет растворено меньше газа(большая часть газа будет находиться между поверхностью напитка и пробкой и хоть его и будет больше, но давление его будет меньше из-за более низкой температуры) и при открытии охлаждённого шампанского мы получим красивый звук без излива самого содержимого — ну в идеале конечно.
Z
За новогоднюю тему — лайк!

Добавить комментарий

Сейчас на главной

Новости

Публикации

Мы строим их не на той планете: физик объяснил, почему в космосе термоядерные реакторы дадут колоссальную энергию и создадут новую цивилизацию

На юге Франции уже второе десятилетие идет сборка международного экспериментального термоядерного реактора ИТЭР. Его задача — доказать, что человечество способно получать энергию за счет...

Почему инженеры создавали двигатели V12 объёмом от 2 до 4 литров: 7 автомобилей разных эпох

Представьте обычный двухлитровый двигатель. Скорее всего, вы подумаете о четырёх цилиндрах, турбине и компактном моторном отсеке. А теперь представьте, что тот же рабочий объём распределён...

Почему раньше в колонках было три динамика, а сегодня часто хватает двух

Если вспомнить советские акустические системы S-90, первое, что бросается в глаза, это три динамика разного размера. Большой воспроизводил низкие частоты, средний отвечал за основную часть...

Советский винтаж в Великобритании и Италии: почему зарубежные ценители до сих пор охотятся за Selena B-210

Переносной транзисторный радиоприёмник Selena B-210 выпускался Минским производственно-техническим объединением «Горизонт» (Минским радиозаводом) начиная с 1975-1976 годов. Данное устройство...

Стальной каркас над Манхэттеном: как строили Empire State Building

Весной 1930 года на Пятой авеню почти не было места для огромной стройки. Участок бывшего отеля Waldorf-Astoria был зажат улицами, вокруг шёл обычный манхэттенский трафик, а подрядчики собирались...