Индийские и французские физики провели симуляцию процессов, которые происходят при открывании бутылки шампанского. Расчеты подтвердили результаты экспериментов, в которых обнаружились сверхзвуковые режимы движения газовых струй. Результаты работы ученых смогут помочь лучше разобраться в том, что происходит при взлете ракет и стрельбе из огнестрельного оружия. Исследование опубликовано в Physics of Fluids.

Игристое вино (которое часто называют шампанским) прекрасно подходит для того, чтобы подчеркнуть торжественность какого-либо события. Благодаря избытку углекислоты открытие бутылки сопровождают праздничный хлопок и фонтан пены (которых, впрочем, можно избежать), а фужер украшается причудливой игрой пузырьков.

Все вышеуказанное было бы невозможным без сложных физико-химических взаимодействий, которые находятся под пристальным интересом ученых. Так, за образование углекислого газа в шампанском отвечает внутрибутылочное брожение, которому способствует добавление дрожжей и сахара. Этот газ частично растворяется в вине, его концентрация при этом связана с температурой и парциальным давлением оставшейся части. По этой причине скорость вылета пробки сильно зависит от температуры бутылки.

Интересна также физика и газовой смеси, состоящей преимущественно из углекислого газа и водяных паров, которая вырывается из бутылки по мере выхода пробки. Исследование с помощью высокоскоростной съемки показало, что газовые струи при этом распространяются в сверхзвуковом режиме, после чего испытывают адиабатическое охлаждение, которое даже может привести к кристаллизации воды. Взаимодействие сверхзвуковых струй с окружающей атмосферой приводит к образованию сложно организованных ударных волн. При этом часто наблюдают так называемые диски Маха — периодические структуры в струе, вызванные повторяющимся процессом ее сжатия и расширения (иногда их называют ударными алмазами из-за характерной ромбической формы при взгляде сбоку). Это делает открывание шампанского похожим на работу ракетных двигателей, а также на извержение вулканов и гейзеров. В случае с пробкой, однако, задача описания усложняется сильной нестационарностью всего процесса, а также подвижностью пробки, что меняет ширину канала, в котором распространяется струя.

Чтобы детальнее разобраться, что же происходит с газом при открытии бутылки шампанского, группа физиков из Индии и Франции при участии Жерара Лигер-Белера (Gérard Liger-Belair) из Университета Шампань — Арденны провела моделирование этого процесса методами вычислительной гидродинамики. Начальная область вычисления представляла собой два пространства, разделенных между собой стенками бутылки и пробкой. Внешняя часть соответствовала комнатным условиям, внутренняя — газообразному пространству между вином и пробкой объемом 35 кубических сантиметров, заполненной углекислым газом. Авторы точно перенесли в модель профиль реальной бутылки, а температуру и давление углекислого газа выбрали равными 20 градусам Цельсия и 7,5 бар, чтобы симуляция соответствовала проделанным ранее экспериментам.

Физики рассматривали пробку как двигающуюся с постоянной скоростью, известной из эксперимента и равной 18,6 метрам в секунду. Они пренебрегли упругостью пробки, из-за которой та принимает характерную грибовидную форму после вылета. Задачу также упрощала осевая симметрия, которой обладает вертикально расположенная бутылка.

Глядя на результаты симуляции, ученые выделили три этапа в происходящих процессах. На первом из них, длящемся около 600 микросекунд, не успевшая удалиться на достаточное расстояние пробка мешает струе газа разогнаться. В результате газ просачивается вбок в виде короноподобной струи, в которой уже и проявляются ударные алмазы.

На втором этапе (600 — 1000 микросекунд) отлетевшая пробка дает струе достаточно места, чтобы разогнаться до сверхзвуковой скорости, однако затем создает в ней отделившийся от потока скачок уплотнения. Наконец, по прошествии миллисекунды давление в бутылке опускается слишком низко, чтобы струя двигалась быстрее звука, поэтому диски Маха в ней так и не появляются.

Авторы отмечают, что сопротивление, оказываемое пробкой струе в ходе всего процесса, встречается также при взаимодействии реактивной струи и земли, наблюдаемое при взлете ракет, а также при взаимодействии пули и пороховых газов. Это позволяет применить результаты работы ученых далеко за пределами только лишь физики открывания шампанского.

Ранее та же группа исследователей уже интересовалась тем, какая физика сопровождает образование пузырьков в шампанском и пиве.

Марат Хамадеев