У попередніх дослідженнях вчені з’ясували, що під час розкриття пляшки шампанського гази, що вириваються назовні, рухаються швидше за звук, створюючи ударні хвилі, які складаються одна з одною, утворюючи диски Маха. У новому дослідженні австрійські вчені вперше змогли повністю описати цей процес за допомогою симуляції та комп’ютерного моделювання. Результати роботи допоможуть розібратися в низці питань у ракетобудуванні та військовій справі.
Шампанське – головний напій Нового року. Коли відкорковують пляшку, спершу чути характерний бавовна пробки, потім з’являються фонтан піни (і бавовни, і піни, до речі, можна уникнути, на це впливає спосіб відкриття пляшки) та невелика хмаринка “диму”, яка може бути різного кольору. Коли ж шампанське наливають у фужери, воно шипить, і в келихах “грають” бульбашки.
За цими, на перший погляд, простими процесами криється складна фізика, яка перебуває під пильною увагою вчених. Так, за утворення вуглекислого газу в шампанському відповідає внутрішньопляшкове бродіння, яке, своєю чергою, спричиняють дріжджі та цукор. Що стосується швидкості вильоту пробки, виявилося, вона залежить від температури пляшки.
У 2022 році група фізиків з Індії та Франції дізналася, що газова суміш, яка складається з вуглекислого газу і водяної пари і виривається з пляшки шампанського в міру виходу пробки, може поширюватися з надзвуковою швидкістю. Взаємодія надзвукових струменів з навколишньою атмосферою призводить до утворення складноорганізованих ударних хвиль, які комбінуються одна з одною і на короткий час утворюють диски Маха – хвильові утворення, що повторюються, знайомі багатьом за знімками реактивних двигунів, що працюють.
Фізики з Віденського технічного університету (Австрія) доповнили новими даними дослідження своїх індійських і французьких колег. За допомогою комп’ютерного моделювання та симуляцій вчені з високою точністю розрахували поведінку корка пляшки шампанського і потоку газу. Виявилося, під час відкорковування пляшки швидкість газового потоку може значно перевищувати швидкість звуку. Роботу викладено на сайті електронного архіву препринтів arXiv.
Пляшкова пробка летить із порівняно невеликою швидкістю – майже 20 метрів на секунду. Однак газовий струмінь, що виривається з пляшки, рухається набагато швидше. Він обганяє корок, обтікає його і досягає швидкості до 400 метрів на секунду, що більше, ніж швидкість звуку в повітрі (335 метрів на секунду за нормальних умов). Після того як пляшка шампанського відкоркована, газовий струмінь долає звуковий бар’єр, і в результаті виникає ударна хвиля.
Ударна хвиля – це особливий тип хвилі, у якій спостерігається зміна низки фізичних параметрів: тиску, температури, густини теплового потоку і швидкості руху. У звичайних хвилях, наприклад звукових, ці величини змінюються плавно. Але в ударних все інакше: зміни стрибкоподібні. Точку, в якій відбувається такий стрибок, називають диском Маха.
Турбореактивний двигун Pratt & Whitney J58 на форсажі, видно диски Маха / © NASA
Австрійські фізики дізналися, що в шампанському диски Маха спершу утворюються між пляшкою і корком, а після піднімаються вгору. Саме ці диски відповідають за хлопок, який виникає, коли відкривають пляшку.
Якщо бути точним, хлопок – це комбінація двох ефектів. Він виникає, по-перше, через тиск, що створюється розширенням корка, коли він залишає горлечко. По-друге, через ударну хвилю, її породжує надзвуковий газовий струмінь. Автори роботи зазначили, що ці ефекти дуже нагадують звуковий удар – хлопок, що виникає під час поширення в атмосфері ударних хвиль від тіла, що летить із надзвуковою швидкістю.
Також австрійські вчені пояснили, чому після відкорковування шампанського хмарка диму, що піднімається, може бути різного кольору (від білого до синього). Річ у тім, що колір викликає вихідна температура шампанського.
Температура газу залежить від руху його молекул: що ближче молекули, то сильніше нагрівається газ, що далі, то більше він охолоджується. У випадку з шампанським охолодження може бути настільки сильним, що в деяких точках температура газової суміші падає до мінус 130 градусів Цельсія. За такої температури вуглекислий газ переходить у твердий стан і утворює кристали сухого льоду.
“Розмір кристалів залежить від конкретної температури. Різні температури призводять до утворення кристалів сухого льоду різних розмірів, які потім по-різному розсіюють світло. Що менші кристали, то більше вони розсіюють короткохвильове світло, тобто синє. У принципі, ви можете визначити температуру шампанського, просто подивившись на колір диму. Якщо шампанське було досить холодним, димок буде білим, якщо ж теплим, то синюватим”, – пояснив Лукас Вагнер (Lukas Wagner), один з авторів дослідження.
Автори зазначили, що розроблені ними методи для розв’язання завдань, пов’язаних із фізикою відкорковування шампанського, можна застосовувати в найрізноманітніших галузях, де використовують потоки газів: від шипучих напоїв до ракетобудування і військової промисловості. Австрійські фізики сподіваються, що результати їхньої роботи допоможуть розвинути нові технології в галузі військової та космічної індустрій.
