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

Когда-то нас было шестеро: почему Homo sapiens остался единственным видом человека на Земле

Около трехсот тысяч лет назад на Земле одновременно существовало не менее шести различных видов людей. Планета была заселена представителями рода Homo от Западной Европы до отдаленных островов...

Стрелочный индикатор с двумя задачами: инженерное решение Pioneer CT-3000

Кассетную деку Pioneer CT-3000 японская корпорация Pioneer выпускала в Токио с 1978 по 1981 год. Она входила в линейку аппаратуры уменьшенной высоты, так называемый формат Slimline. Корпус в ширину...

✦ ИИ  Почему две одинаковые нейросети могут давать совершенно разные ответы

Одна и та же языковая модель может отлично справляться с программированием в одном сервисе и допускать странные ошибки в другом. Причём название модели совпадает, пользователь отправляет...

Откуда в магазинах столько молока и сливочного масла, если коров почти нигде не видно

В молочном отделе супермаркета иногда задерживаюсь дольше обычного. На одной полке десятки упаковок молока, рядом сливки, сметана, творог, йогурты и сливочное масло. Причём у каждого производителя...

Капли Большого взрыва: физики впервые получили материю ранней Вселенной из легких ядер кислорода

Обычное вещество во Вселенной устроено иерархически: атомы состоят из электронов и атомных ядер, ядра собраны из протонов и нейтронов (общее название этих частиц — нуклоны), а внутри...

Русский Париж: в Доме русского зарубежья открылась новая выставка

Новый проект, куратором которого выступил московский коллекционер С. А. Подстаницкий, рассказывает о коротком (вековом) периоде русско-французских отношений с 1814 по 1914 годы. Это период, когда...