Физика

В предыдущих исследованиях ученые выяснили, что при вскрытии бутылки шампанского газы, вырывающиеся наружу, движутся быстрее звука, создавая ударные волны, которые складываются друг с другом, образуя диски Маха. В новом исследовании австрийские ученые впервые смогли полностью описать этот процесс с помощью симуляции и компьютерного моделирования. Результаты работы помогут разобраться в ряде вопросов в ракетостроении и военном деле.

Шампанское — главный напиток Нового года. Когда откупоривают бутылку, сперва слышится характерный хлопок пробки, затем появляются фонтан пены (и хлопка, и пены, к слову, можно избежать, на это влияет способ открытия бутылки) и небольшое облачко «дыма», которое может быть различного цвета. Когда же шампанское наливают в фужеры, оно шипит, и в бокалах «играют» пузырьки.

За этими, на первый взгляд, простыми процессами кроется сложная физика, которая находится под пристальным вниманием ученых. Так, за образование углекислого газа в шампанском отвечает внутрибутылочное брожение, которое, в свою очередь, вызывают дрожжи и сахар. Что касается скорости вылета пробки, оказалось, она зависит от температуры бутылки.

В 2022 году группа физиков из Индии и Франции узнала, что газовая смесь, состоящая из углекислого газа и водяных паров и вырывающаяся из бутылки шампанского по мере выхода пробки, может распространяться со сверхзвуковой скоростью. Взаимодействие сверхзвуковых струй с окружающей атмосферой приводит к образованию сложноорганизованных ударных волн, которые комбинируются друг с другом и на короткое время образуют диски Маха — повторяющиеся волновые образования, знакомые многим по снимкам работающих реактивных двигателей.

Физики из Венского технического университета (Австрия) дополнили новыми данными исследования своих индийских и французских коллег. С помощью компьютерного моделирования и симуляций ученые с высокой точностью рассчитали поведение пробки бутылки шампанского и потока газа. Оказалось, при откупоривании бутылки скорость газового потока может значительно превышать скорость звука. Работа выложена на сайте электронного архива препринтов arXiv.

Бутылочная пробка летит со сравнительно небольшой скоростью — почти 20 метров в секунду. Однако газовая струя, вырывающаяся из бутылки, движется гораздо быстрее. Она обгоняет пробку, обтекает ее и достигает скорости до 400 метров в секунду, что больше, чем скорость звука в воздухе (335 метров в секунду при нормальных условиях). После того как бутылка шампанского откупорена, газовая струя преодолевает звуковой барьер, и в результате возникает ударная волна.

Ударная волна — это особый тип волны, в которой наблюдается изменение ряда физических параметров: давления, температуры, плотности теплового потока и скорости движения. В обычных волнах, например звуковых, эти величины меняются плавно. Но в ударных все иначе: изменения скачкообразные. Точку, в которой происходит такой скачок, называют диском Маха.

Австрийские физики узнали, что в шампанском диски Маха сперва образуются между бутылкой и пробкой, а после поднимаются вверх. Именно эти диски отвечают за хлопок, который возникает, когда открывают бутылку.

Если быть точным, хлопок — это комбинация двух эффектов. Он возникает, во-первых, из-за давления, которое создается расширением пробки, когда она покидает горлышко. Во-вторых, из-за ударной волны, ее порождает сверхзвуковая газовая струя. Авторы работы отметили, что эти эффекты очень напоминают звуковой удар — хлопок, возникающий при распространении в атмосфере ударных волн от тела, летящего со сверхзвуковой скоростью.

Также австрийские ученые объяснили, почему после откупоривания шампанского поднимающееся облачко дыма может быть разного цвета (от белого до синего). Дело в том, что цвет вызывает исходная температура шампанского.

Температура газа зависит от движения его молекул: чем ближе молекулы, тем сильнее нагревается газ, чем дальше, тем больше он охлаждается. В случае с шампанским охлаждение может быть настолько сильным, что в некоторых точках температура газовой смеси падает до минус 130 градусов Цельсия. При такой температуре углекислый газ переходит в твердое состояние и образовывает кристаллы сухого льда.

«Размер кристаллов зависит от конкретной температуры. Разные температуры приводят к образованию кристаллов сухого льда разных размеров, которые затем по-разному рассеивают свет. Чем меньше кристаллы, тем больше они рассеивают коротковолновый свет, то есть синий. В принципе, вы можете определить температуру шампанского, просто посмотрев на цвет дыма. Если шампанское было достаточно холодным, дымок будет белым, если же теплым, то синеватым», — пояснил Лукас Вагнер (Lukas Wagner), один из авторов исследования.

Авторы отметили, что разработанные ими методы для решения задач, связанных с физикой откупоривания шампанского, можно применять в самых разных областях, где используют потоки газов: от шипучих напитков до ракетостроения и военной промышленности. Австрийские физики надеются, что результаты их работы помогут развить новые технологии в области военной и космической индустрий.