Физика пузырьков: зачем учёные сбрасывают пиво с башни

Фил Дули на сайте Cosmos рассказывает о том как, научные эксперименты с пивом предоставляют нам возможность подробнее изучить вулканические извержения и образование астероидов и побольше узнать об опасностях распития жидкостей в космосе.

Многие знают этот пивной трюк – постучать по горлышку бутылки друга донышком своей бутылки, чтобы пиво в руках товарища внезапно взорвалось пеной. Кому-то это кажется довольно смешным, кого-то раздражает. А испанского физика Хавьера Родригеса-Родригеса это заинтриговало.

Родригес-Родригес из Мадридского университета имени Карлоса III решил подробнее изучить странный феномен и обнаружил в бокале пива сложные физические явления, изучение которых  может помочь ученым понять все виды природных процессов: от извержений вулканов до образования астероидов.

— В бокале пива происходит множество различных физических явлений, и каждый раз, когда вы пьете пиво, вся эта физика разворачивается прямо у вас на глазах, — говорит Родригес-Родригес.

Повинуясь жажде знаний, Родригес-Родригес даже поручил своим аспирантам бросать пиво со 100-метровой башни и снимать это на камеру для изучения образования пузырьков в условиях микрогравитации при свободном падении.

«Газированные напитки — это портативные лаборатории, которые могут быть использованы для занятной демонстрации работы многих процессов, которые встречаются в природе и промышленности», — пишут Родригес-Родригес и его соавтор Роберт Зенит в обзоре обнаруженных ими фактов о пиве, опубликованных в журнале Physics Today.

Ключ ко многим процессам в пиве – карбонизация — общепринятый термин, характеризующий пересыщение раствора углекислым газом. В ходе процесса брожения дрожжи образуют микропузырьки углекислого газа, которые и создают давление в бутылке. Некоторая часть углекислого газа растворяется в пиве: эта доля определяется законом Генри о растворимости газов, согласно которому, чем выше давление, тем больше газа растворяется.

Когда бутылка открывается, давление сбрасывается, а это значит, что количество газа, которое может удерживаться жидкостью, становится ниже: внезапно раствор становится пересыщенным. В ближайшие часы углекислый газ будет испаряться, пока жидкость не достигнет новой точки равновесия. На этом этапе пиво, как говорят его любители, «выдыхается».

Скорость, с которой газ уходит из напитка, и динамика, которую он при этом вызывает, по большей части объясняют необычное поведение пива, в частности, уже упомянутую нами классическую барную шутку.

Исследование Родригеса-Родригеса, впервые опубликованное в журнале Physical Review Letters, доказало, что причиной «пивного извержения» становится волна давления, поднимающаяся сквозь жидкость вверх.

Внезапный толчок моментально смещает пиво. У стенок бутылки эффект минимальный, так как стекло скользит по жидкости. А сдвиг донышка бутылки вниз приводит к внезапному падению давления в жидкости на дне. Зона низкого давления распространяется вверх и побуждает растворённый в пиве углекислый газ формировать пену. Пиво затем «догоняет» бутылку, и давление восстанавливается. Это внезапное высокое давление разрушает только что сформировавшиеся пузырьки. Родригес-Родригес обнаружил, что каждый из них расщепляется на миллион более мелких пузырьков.

Затем эти пузырьки, уже сгруппировавшись, начинают увеличиваться, поскольку поглощают ещё больше углекислого газа. Требуется секунда или две, прежде чем они достигнут вершины, и пена польётся из горлышка.

Подъём пены объясняется плавучестью пузырьков, поэтому Родригес-Родригес и его команда задумались, что случится с пивом в невесомости. Вместо того, чтобы отправлять пиво в космос, они решили сбросить его со 100-метровой башни Центра прикладных космических технологий и микрогравитации (ZARM) в немецком Бремене. Но для проведения эксперимента пиво пришлось заменить.

— Мы не могли использовать пиво. Оно слишком «грязное», — говорит Родригес-Родригес.

Используя газированную воду, команда получила возможность понаблюдать за эволюцией облака пузырьков, зависающих в жидкости, и засняла высокоскоростное видео процесса.

Исследование Родригеса-Родригеса важно для изучения формирования таких объектов, как астероиды и метеориты в условиях низкой гравитации, а кроме того, оно касается потенциально важной проблемы того, смогут ли астронавты пить пиво.

Плавучесть пузырьков позволяет газу подниматься из желудка после употребления газированного напитка и покидать организм, но Родригес-Родригес отмечает, что в условиях невесомости они утратят это качество.

«Пузырьки не смогут выйти из жидкости, находящейся в пищеварительной системе, что приведет к болезненному вздутию живота и кишечника. Так что, извините, никаких газированных напитков в космосе!» — пишут Родригес-Родригес и Зенит в своей обзорной статье.

Ученый признается, что иногда он позволял себе выпить бокальчик «опытного образца», но  осторожно отмечает, что это делалось не за счет государства или исследовательского фонда, потому что принципы проведения исследований не позволяют расходы на алкоголь. Так что пиво для проведения экспериментов закупалось за личные средства Родригеса-Родригеса. 

— Я называю это Фондом развития науки Родригеса-Родригеса, — добавляет он.

Результаты экспериментов по микрогравитации находятся в стадии подготовки и будут вскоре опубликованы в журнале.