Предыдущие исследования показали, что газы, высвобождающиеся при открытии бутылки шампанского, движутся со скоростью, превышающей скорость звука. Это приводит к образованию ударных волн, которые перекрываются, формируя диски Маха. В ходе новой работы австрийские ученые впервые детально проанализировали этот процесс, используя симуляцию и компьютерное моделирование. Полученные данные могут быть полезны для решения задач в ракетостроении и военной технике.
Шампанское традиционно считается главным напитком для празднования Нового года. Открытие бутылки сопровождается характерным хлопком пробки, а затем вырывается фонтан пены. Кстати, избежать этого хлопка и пены вполне возможно, так как способ открытия бутылки влияет на это явление. При наливании шампанского в бокалы слышен характерный шипящий звук, а на стенках образуются поднимающиеся пузырьки.
За этими, казалось бы, несложными процессами скрывается сложная физика, которая активно изучается учеными. В частности, образование углекислого газа в шампанском обусловлено внутрибутылочным брожением, которое инициируется дрожжами и сахаром. Что касается скорости вылета пробки, оказалось, она зависит от температуры бутылки.
В 2022 году физики из Индии и Франции провели совместное исследование узнала, согласно исследованиям, газовая смесь, содержащая углекислый газ и водяные пары, высвобождается из бутылки шампанского при открытии пробки и может распространяться со скоростью, превышающей скорость звука. Взаимодействие этих сверхзвуковых потоков с окружающей средой приводит к формированию сложных структур ударных волн, которые объединяются и кратковременно формируют диски Маха — характерные волновые структуры, которые часто встречаются на изображениях работающих турбореактивных двигателей.
Исследование, проведенное физиками из Венского технического университета (Австрия), стало продолжением работ их коллег из Индии и Франции. Используя компьютерное моделирование и симуляции, ученые смогли с высокой точностью определить, как формируется и движется пробка шампанского и газ. Согласно полученным результатам, при открытии бутылки скорость потока газа может быть значительно выше скорости звука выложена на сайте электронного архива препринтов arXiv.
Пробка бутылки вылетает с умеренной скоростью, составляющей приблизительно 20 метров в секунду. При этом газовая струя, вырывающаяся из бутылки, движется значительно быстрее. Она обгоняет пробку, обтекает ее и может достигать скорости до 400 метров в секунду, что превышает скорость звука в воздухе (335 метров в секунду при стандартных условиях). После открытия бутылки шампанского газовая струя преодолевает звуковой барьер, что приводит к формированию ударной волны.
Ударная волна представляет собой уникальный вид волны, характеризующийся резким изменением физических параметров, таких как давление, температура, плотность теплового потока и скорость движения. В отличие от обычных волнах, например звуковых, где эти величины изменяются постепенно, в ударных волнах наблюдаются скачкообразные изменения. Место, где происходит подобный скачок, известно как дисковое число Маха.
Физики из Австрии установили, что при открытии шампанского диски Маха сначала формируются между бутылкой и пробкой, а затем поднимаются вверх. Характерный хлопок, сопровождающий открытие, обусловлен именно этими дисками.
Хлопок представляет собой сочетание двух процессов. Он обусловлен, во-первых, давлением, возникающим в результате расширения пробки при ее выходе из горлышка. Во-вторых, хлопок вызван ударной волной, генерируемой сверхзвуковым газовым потоком. Авторы исследования подчеркнули, что эти эффекты очень напоминают звуковой удар — звуковой удар — это внезапное повышение давления, возникающее в атмосфере при движении объекта со скоростью, превышающей скорость звука.
Австрийские исследователи выяснили, что цвет поднимающегося облачка при открытии шампанского (от белого до синего) зависит от его первоначальной температуры.
Интенсивность движения молекул определяет температуру газа: при увеличении плотности молекул газ нагревается, а при уменьшении – охлаждается. В случае с шампанским охлаждение может быть настолько интенсивным, что температура газовой смеси в отдельных точках достигает минус 130 градусов Цельсия. При таких условиях углекислый газ переходит в твердое состояние, формируя кристаллы сухого льда.
«Размер кристаллов обусловлен температурой. Различные температуры формируют кристаллы сухого льда разных размеров, что влияет на то, как они рассеивают свет. Кристаллы меньшего размера сильнее рассеивают коротковолновый свет, в частности, синий. Таким образом, цвет дыма позволяет определить температуру шампанского: при достаточно низкой температуре дым будет белым, а при более высокой – синеватым», — пояснил Один из авторов исследования — Лукас Вагнер (Lukas Wagner.
Разработанные ими методы решения задач, касающихся физики открывания шампанского, авторы считают применимыми в широком спектре областей, использующих потоки газов, включая производство газированных напитков, ракетостроение и военную промышленность. Австрийские физики выражают надежду, что их исследования способствуют развитию новых технологий для военных и космических отраслей.