Что происходит, когда вылетает пробка шампанского? Ученые впервые смогли это объяснить
Ученые из Венского технического университета (Австрия) первыми подробно изучили процессы, которые происходят, когда пробка вылетает из бутылки шампанского. Составленная ими модель нужна для решения сложных инженерных задач. Результаты исследования опубликованы в журнале Flow, посвященном механике жидкости.
«Выскакивание пробки, закрывающей бутылку шампанского, предлагает для изучения удивительно богатое разнообразие физических явлений. Они сопровождают внезапное открытие сосуда, частично заполненного жидкостью под давлением и растворенным газом — в основном, углекислым», — пишут авторы.
Они отмечают, что в момент выталкивания из бутылки на пробку воздействует большое число факторов. А значит, задачей ученых было разработать математическую модель, учитывающую только первостепенные.
В итоге в расчеты были включены эффекты газовой динамики, взаимодействие жидкости и выталкиваемого тела, а также трение тела о горлышко. Кроме того, подробно рассматривалась струя газа, который и образует сложную ударную структуру, выталкивающую пробку.
Со скоростью звука
Сам процесс открывания бутылки, как показало исследование, состоит из шести стадий. Большую его часть мы не видим — глаз просто не может это уловить.
Началом считается момент, когда пробка, сжатая горлышком бутылки в цилиндр, начинает движение. Давление внутри бутылки выталкивает ее, а трение о горлышко мешает движению. Если давление оказывается сильнее, то пробка вылетает. Она принимает изначальную конусообразную форму через 40 миллисекунд после того, как вылетает из бутылки.
Из зазора, появляющегося между пробкой и бутылкой, начинает просачиваться газ — его скорость больше скорости звука. Из-за этого возникает волна давления, расширяющаяся в направлении струи газа.
Ударная волна возникает на краю струи и движется внутрь. И в конечном итоге образует диск Маха — такая структура внутри сверхзвуковой струи газа возникает, например, при работе реактивного двигателя. Струя газа, перемещающаяся в том же направлении, что и пробка, отталкивает ее все дальше от отверстия — именно этот момент она может «вылететь», например, в люстру.
Удаляясь от бутылки, диск Маха постепенно перестает действовать, а струя газа обгоняет пробку. На последней стадии волновые процессы могут достичь жидкости в бутылке, отразиться от нее и образовать ударную волну.
При этом, отмечают ученые, давление внутри бутылки, температура содержимого и взаимодействие пробки с жидкостью влияют на параметры диска Маха. Но возможно и обратное: по положению диска Маха теоретически можно определить, какие в бутылке давление и температура.
Модель, составленная на примере бутылки с игристым вином, в будущем должна быть расширена на самые разные ситуации, которые инженерам приходится решать при разработке новых устройств.
