Предыдущие исследования показали, что при открытии бутылки шампанского газы, вырывающиеся наружу, перемещаются быстрее звука, формируя ударные волны.
Эти волны складываются друг с другом, создавая диски Маха. В новом исследовании австрийские ученые впервые смогли полностью описать этот процесс с помощью симуляции и компьютерного моделирования. Полученные результаты могут помочь в решении ряда задач в области ракетостроения и военной техники.
Шампанское — напиток Нового года. Открытие бутылки сопровождается хлопком пробки, фонтаном пены и облачком «дыма», цвет которого может меняться. В фужерах шампанское шипит, а в бокалах играют пузырьки.
За кажущейся простотой этих процессов скрывается сложная физика, которой уделяют внимание учёные. Например, образование углекислого газа в шампанском происходит из-за внутрибутылочного брожения, которое запускается дрожжами и сахаром. Скорость вылета пробки оказалось… зависит от температуры бутылки.
В 2022 году группу физиков из Индии и Франции… узналаСмесь углекислого газа и водяных паров, вырывающаяся из бутылки шампанского при снятии пробки, может распространяться со сверхзвуковой скоростью. Взаимодействие этих струй с воздухом порождает сложные структуры. ударных волн…которые комбинируются и на короткий период создают… диски МахаПовторяющиеся волновые формы, которые многие знают с фотографий работающих ракетных двигателей.
Физики из Венского технического университета дополнили исследование своих коллег из Индии и Франции новыми данными. С помощью компьютерного моделирования и симуляций ученые с высокой точностью рассчитали поведение пробки бутылки шампанского и потока газа. Выяснилось, что при откупоривании бутылки скорость газового потока может значительно превышать скорость звука. выложена на сайте электронного архива препринтов arXiv.
Пробка из бутылки движется со скоростью почти 20 метров в секунду. Газовое облако, выбрасывающееся из бутылки, развивает большую скорость — до 400 метров в секунду, что превышает скорость звука (335 метров в секунду при нормальных условиях). После того как шампанское открыто, газовое облако преодолевает звуковой барьер, создавая ударную волну.
Ударная волна — это особый тип волны с резким изменением давления, температуры, плотности теплового потока и скорости движения. В обычных волнах, таких как звуковые, изменения плавные. В ударных же — скачкообразные. Место скачка называют диском Маха.
Австрийские физики выяснили, что в шампанском диски Маха сначала возникают между бутылкой и пробкой, а затем поднимаются вверх.
Точно говоря, хлопок представляет собой сочетание двух явлений. Первое возникает из-за давления, создаваемого расширением пробки при её выходе из горлышка. Второе – из-за ударной волны, порождаемой сверхзвуковой газовой струей. Авторы исследования отметили, что эти эффекты очень схожи звуковой ударШум, создаваемый воздушными ударами от объекта, перемещающегося быстрее скорости звука.
Австрийские учёные объяснили, почему после открытия бутылки шампанского образующийся след может иметь разный оттенок (от белого до синего).
Температура газа определяется движением его молекул: приближение молекул приводит к нагреву, отдаление – к охлаждению. В шампанском охлаждение может быть таким сильным, что температура газовой смеси в некоторых точках падает до минус 130 градусов Цельсия. При такой температуре углекислый газ переходит в твердое состояние и образует кристаллы сухого льда.
Размер кристаллов зависит от температуры. Различные температуры приводят к образованию кристаллов сухого льда разных размеров, которые рассеивают свет по-разному. Чем меньше кристаллы, тем больше они рассеивают синий свет. Можно определить температуру шампанского, глядя на цвет дыма: белый дымок — холодное шампанское, синеватый — тёплое. пояснилЛукас Вагнер, автор исследования.
Разработанные авторами методы для решения задач, связанных с физикой откупоривания шампанского, применимы в самых разных областях, где используют потоки газов: от шипучих напитков до ракетной техники и военной промышленности. Австрийские физики надеются, что их работа поможет развить новые технологии в области военной и космической индустрии.