Физика очаровательного шипения шампанского

Эксперименты с шипучими напитками раскрывают динамику жидкости, лежащей в основе пузырьковых напитков.

Отредактировано 2023-25-06
Шампанское наливают в два бокалаПузырьки шампанского известны своими аккуратными линиями, поднимающимися вверх по бокалу.

Хлопок пробки, шипение наливаемого вина и звон фужеров для шампанского - вот составляющие праздника во многих уголках мира. Само шампанское появилось еще в Древнем Риме, но наибольшие успехи в создании современной формы этого напитка были достигнуты в 19 веке смекалистой троицей женщин из региона Шампань на северо-востоке Франции.

Теперь ученые добавили еще одну главу к истории шампанского, выяснив, почему маленькие шипучие пузырьки радости поднимаются вверх по прямой линии.

В исследовании, опубликованном 3 мая в журнале Physical Review Fluids, группа исследователей обнаружила, что устойчивые цепочки пузырьков в шампанском и других игристых винах возникают благодаря содержащимся в них ингредиентам, которые действуют подобно мылоподобным соединениям, называемым поверхностно-активными веществами. Молекулы, подобные ПАВ, помогают снизить напряжение между жидкостью и пузырьками газа, создавая плавный подъем к вершине.

В новом исследовании группа специалистов провела численные и физические эксперименты на четырех газированных напитках, чтобы изучить стабильность цепочек пузырьков. В зависимости от напитка, механика жидкости сильно отличается. Например, в шампанском и игристом вине пузырьки газа постоянно быстро поднимаются к верху бокала в одну линию, как маленькие муравьи, и продолжают это делать в течение некоторого времени. В пиве и газировке пузырьки отклоняются в сторону, а цепочки пузырьков не так устойчивы.

Для наблюдения за цепочками пузырьков команда наливала в стаканы газированные напитки, включая газированную воду Pellegrino, пиво Tecate, шампанское Charles de Cazanove и испанское игристое вино под названием brut.

Затем они заполнили небольшие прямоугольные емкости из оргстекла жидкостью и закачали газ, чтобы создать различные виды цепочек пузырьков. Постепенно они добавляли поверхностно-активные вещества или увеличивали размер пузырьков. Они обнаружили, что более крупные пузырьки могут стать стабильными даже без поверхностно-активных веществ. Когда они поддерживали фиксированный размер пузырьков, добавляя только поверхностно-активные вещества, цепочки превращались из нестабильных в стабильные.

Авторы обнаружили, что на стабильность пузырьков фактически влияет размер самих пузырьков. Цепочки с крупными пузырьками имеют пробуждение, похожее на пробуждение пузырьков с загрязнениями, что приводит к плавному подъему и стабильности цепочек.

"Теория заключается в том, что в шампанском эти загрязнения, которые действуют как поверхностно-активные вещества, являются хорошим веществом", - сказал в своем заявлении соавтор и инженер Университета Брауна Роберто Зенит. "Эти белковые молекулы, придающие вкус и уникальность жидкости, делают устойчивыми цепочки пузырьков, которые они создают".

Поскольку пузырьки в напитках всегда довольно мелкие, ПАВ являются ключевым ингредиентом для создания прямых и стабильных цепочек, которые мы видим в шампанском. Хотя пиво также содержит молекулы, похожие на ПАВ, пузырьки могут подниматься по прямым цепочкам или нет, в зависимости от сорта пива. Пузырьки в газированной воде, такой как сельтерская, всегда нестабильны, поскольку в ней нет загрязняющих веществ, помогающих пузырькам плавно двигаться в потоках.

"Это пробуждение, это возмущение скорости приводит к выбиванию пузырьков", - говорит Зенит. "Вместо одной линии пузырьки поднимаются вверх в виде конуса".

Полученные результаты могут способствовать лучшему пониманию того, как работает механика жидкости, в частности, образование кластеров в пузырьковом потоке, что имеет экономическое и общественное значение. В 2020 году мировой рынок газированных напитков оценивался в 221,6 миллиарда долларов.

Технологии, использующие перемешивание, вызываемое пузырьками, такие как аэрационные резервуары на водоочистных сооружениях и в виноделии, могут значительно выиграть от лучшего знания того, как происходит скопление пузырьков, их происхождение и как предсказать их появление. Понимание этих потоков может также помочь лучше объяснить океанические просачивания, когда метан и углекислый газ выходят со дна океана.

"Это тот тип исследования, который я разрабатывал в течение многих лет", - сказал Зенит. "Большинство людей никогда не видели океанский фильтрат или аэротенк, но большинство из них пили газировку, пиво или бокал шампанского. Рассказывая о шампанском и пиве, наш генеральный план состоит в том, чтобы люди поняли, что механика жидкости важна в их повседневной жизни".