Почему пузырьки шампанского поднимаются по прямой траектории?
Выводы, описанные в новом исследовании, опубликованном в журнале Physical Review Fluids, основаны на серии численных и физических экспериментов, включая, конечно же, разливание бокалов с шампанским, пивом, газированной водой и игристым вином. Результаты не только объясняют, что придает шампанскому линию пузырьков, но и могут иметь важное значение для понимания пузырьковых потоков в области гидромеханики.
Вот некоторые научные выводы, заслуживающие внимания: исследователи из Университета Брауна и Университета Тулузы во Франции объяснили, почему пузырьки в шампанском шипят по прямой линии, а в других газированных напитках, таких как пиво или содовая, нет.
Выводы, описанные в новом исследовании, опубликованном в журнале Physical Review Fluids, основаны на серии численных и физических экспериментов , включая, конечно же, разливание бокалов с шампанским, пивом, газированной водой и игристым вином. Результаты не только объясняют, что придает шампанскому линию пузырьков, но и могут иметь важное значение для понимания пузырьковых потоков в области гидромеханики.
«Это тип исследования, над которым я работал в течение многих лет», — сказал профессор Брауна Роберто Зенит, один из авторов статьи. «Большинство людей никогда не видели просачивания океана или аэротенка, но большинство из них выпили газировку, пиво или бокал шампанского. Говоря о шампанском и пиве, наш главный план состоит в том, чтобы заставить людей понять, что механика жидкости важна и в повседневной жизни».
Цель группы состояла в том, чтобы исследовать стабильность цепочек пузырьков в газированных напитках. Частью фирменного опыта наслаждения этими напитками являются крошечные или большие пузырьки, которые образуются, когда напиток наливается, создавая видимую цепочку пузырьков и шипения. В зависимости от напитка и его ингредиентов задействованная механика жидкости различна.
Когда речь идет, например, о шампанском и игристом вине, постоянно возникающие пузырьки газа быстро поднимаются наверх в один ряд и продолжают это делать в течение некоторого времени. Это известно как стабильная пузырьковая цепочка. С другими газированными напитками, такими как пиво, многие пузырьки отклоняются в сторону, создавая впечатление, что несколько пузырьков поднимаются одновременно. Это означает, что цепочка пузырьков нестабильна.
Исследователи решили изучить механизм того, что делает цепочки пузырей стабильными, и смогут ли они воссоздать их, сделав нестабильные цепочки такими же стабильными, как в шампанском или просекко.
Результаты их экспериментов показывают, что стабильные цепочки пузырьков в шампанском и других игристых винах возникают из-за ингредиентов, которые действуют как мыльные соединения, называемые поверхностно-активными веществами. Эти молекулы, подобные поверхностно-активным веществам, помогают уменьшить напряжение между жидкостью и пузырьками газа, обеспечивая плавный подъем наверх.
«Теория состоит в том, что в шампанском эти загрязняющие вещества, которые действуют как поверхностно-активные вещества, являются полезными веществами», — сказал Зенит, старший автор статьи. «Эти белковые молекулы, которые придают вкус и уникальность жидкости, делают цепочки пузырьков стабильными».
Эксперименты также показали, что на стабильность пузырьков влияет размер самих пузырьков. Они обнаружили, что цепочки с большими пузырьками имеют след, аналогичный следу пузырьков с загрязнениями, что приводит к плавному подъему и стабильным цепочкам.
Однако в напитках пузырьки всегда маленькие. Это делает поверхностно-активные вещества ключевым ингредиентом для получения прямых и стабильных цепей. Пиво, например, также содержит молекулы, подобные поверхностно-активным веществам, но, в зависимости от сорта пива, пузырьки могут подниматься прямыми цепочками или нет. Напротив, пузырьки в газированной воде всегда нестабильны, поскольку в них нет загрязняющих веществ, помогающих пузырькам плавно двигаться через кильватерные потоки, оставленные другими пузырьками в цепочке.
«Этот след, это возмущение скорости заставляет пузыри выбиваться», — сказал Зенит. «Вместо того, чтобы иметь одну линию, пузырьки в конечном итоге собираются в конус».
Исследователи заявили, что результаты нового исследования выходят далеко за рамки научного понимания праздничных тостов. Полученные данные обеспечивают общую основу в механике жидкости для понимания образования кластеров в пузырьковых потоках, которые имеют экономическую и социальную ценность.
Технологии, в которых используется смешивание, вызванное пузырьками, такие как аэротенки на водоочистных сооружениях, например, получат большую пользу, если исследователи будут иметь более четкое представление о том, как скапливаются пузырьки, их происхождение и как предсказать их появление. В природе понимание этих потоков может помочь лучше объяснить океанские просачивания, при которых метан и углекислый газ выходят со дна океана.
Эксперименты, которые проводила исследовательская группа, были относительно простыми, а некоторые из них можно было провести даже в любом местном пабе. Чтобы наблюдать за цепочками пузырьков, исследователи наливали в стаканы газированные напитки, включая газированную воду Pellegrino, пиво Tecate, шампанское Charles de Cazanove и брют в испанском стиле.
Чтобы изучить пузырьковые цепочки и то, что делает их стабильными, они наполнили небольшой прямоугольный контейнер из плексигласа жидкостью и вставили иглу в дно, чтобы они могли накачивать газ для создания различных видов пузырьковых цепочек.
Затем исследователи постепенно добавляли поверхностно-активные вещества или увеличивали размер пузырьков. Они обнаружили, что, увеличивая размеры пузырьков, они могли сделать нестабильные цепочки пузырьков стабильными даже без поверхностно-активных веществ. Когда они сохранили фиксированный размер пузырьков и добавили только поверхностно-активные вещества, они обнаружили, что могут также переходить от нестабильных цепей к стабильным.
Два эксперимента показывают, что существует две различные возможности стабилизации цепочки пузырьков: добавление поверхностно-активных веществ и увеличение размеров пузырьков, объясняют исследователи в статье.
Исследователи выполнили численное моделирование на компьютере, чтобы объяснить некоторые вопросы, которые они не могли объяснить с помощью физических экспериментов, таких как расчет того, сколько поверхностно-активных веществ попадает в пузырьки газа, вес пузырьков и их точную скорость.
Они планируют продолжить изучение механики стабильных пузырьковых цепей, чтобы применить их к различным аспектам механики жидкости, особенно к пузырьковым потокам.
«Нас интересует, как движутся эти пузыри, и как они связаны с промышленным применением и природой», — сказал Зенит.
