Физика открытия шампанского

Когда Вы откупориваете бутылку шампанского, происходят сложные сверхзвуковые явления. Ученые из Венского технического университета впервые смогли точно рассчитать, что происходит.

Наконец-то выяснилось что происходит, когда открывается бутылка шампанского

Звучит как простое, известное житейское явление: в бутылке шампанского высокое давление, пробка выталкивается наружу под действием сжатого газа в бутылке и с мощным хлопком улетает. Но физика, стоящая за этим, сложна.

Эксперименты со скоростными камерами уже проводились, но математическо-численный анализ отсутствует. Сейчас в Венском техническом университете этот пробел устранен: с помощью сложного компьютерного моделирования удалось пересчитать поведение пробки и потока газа. При этом были обнаружены удивительные явления: образуется сверхзвуковая ударная волна, а поток газа может достигать скорости, более чем в полтора раза превышающей скорость звука. Результаты также важны для других приложений, связанных с потоками газа вокруг баллистических ракет, снарядов или пуль.

Ударная волна от бутылки

«Сама пробка от шампанского улетает со сравнительно низкой скоростью, достигающей примерно 20 метров в секунду», — говорит Лукас Вагнер, первый автор исследования, аспирант Института механики жидкости и теплопередачи Венского технического университета, также проводит исследования в частном Австрийском центре компетенции по трибологии (AC2T), — «Однако газ вылетает из бутылки гораздо быстрее», — говорит Вагнер, — «Она настигает пробку, обтекает её и достигает скорости до 400 метров в секунду».

Это быстрее скорости звука. Таким образом, газовая струя преодолевает звуковой барьер вскоре после открытия бутылки – и это сопровождается ударной волной. Обычно такие переменные, как давление и температура газа, постоянно изменяются: две точки, расположенные близко друг к другу, также имеют примерно одинаковое давление воздуха. Но когда возникает ударная волна, дела обстоят иначе.

«Затем в этих переменных происходят скачки, так называемые разрывы», — говорит Бернхард Шейхль (TU Vienna & AC2T), руководитель диссертации Лукаса Вагнера, — «Тогда давление или скорость перед ударной волной имеют совершенно другое значение, чем сразу за ней».

Эту точку газовой струи, где давление резко меняется, также называют «диском Маха».

«Очень похожие явления также известны в сверхзвуковых самолетах и ​​ракетах, где выхлопная струя выходит из двигателей на высокой скорости», — объясняет Стефан Браун (Венский технологический университет), который придумал оригинальную идею проекта и руководил магистерской диссертацией г-на Вагнера.

Диск Маха сначала образуется между бутылкой и пробкой, а затем возвращается к отверстию бутылки.

Временно холоднее, чем на Северном полюсе

Резко меняется не только давление газа, но и температура: «Когда газ расширяется, он становится холоднее, как мы знаем по баллончикам», — объясняет Лукас Вагнер. Этот эффект очень выражен в бутылке шампанского: в определенные моменты газ может охлаждаться до -130°C. Может даже случиться так, что крошечные кристаллы сухого льда образуются из CO2, который заставляет игристое вино пузыриться.

«Этот эффект зависит от исходной температуры игристого вина», — говорит Лукас Вагнер, — «Различные температуры приводят к образованию кристаллов сухого льда разного размера, которые затем по-разному рассеивают свет. В результате получается дым разного цвета. В принципе, вы можете измерить температуру игристого вина, просто взглянув на цвет дыма».

Расширение пробки и появление ударной волны

«Тот факт, что сверхзвуковые явления на самом деле происходят, когда хлопает бутылка игристого вина, поначалу был совсем не ясен — этого не обязательно ожидать», — говорит Бернхард Шейхль, — «Но наше моделирование показывает, что это вполне естественно возникает из уравнений механики жидкости, и наши результаты очень хорошо согласуются с экспериментами».

Звуковой хлопок при открытии бутылки представляет собой комбинацию различных эффектов: во-первых, пробка резко расширяется, как только она покидает бутылку, создавая волну давления, а во-вторых, вы можете услышать ударную волну, создаваемую сверхзвуковым газом. струя — очень похожа на известное аэроакустическое явление звукового удара. Оба вместе ответственны за характерный звук хлопающей пробки от шампанского. Расширение пробки было смоделировано на основе экспериментов, проведенных г-ном Вагнером в AC2T.

Методы, разработанные сейчас для решения загадок, связанных с физикой выскакивания пробки от шампанского, также могут быть применены и в других смежных областях: от стрельбы пистолетными пулями до запуска ракет — во многих технически важных ситуациях вы имеете дело с очень твердыми текучими телами, которые взаимодействуют с гораздо более быстрым потоком газа.