Ученые из Венского технического университета (Австрия) впервые подробно изучили процессы, которые происходят, когда пробка вылетает из бутылки шампанского. Они разработали модель, которая поможет решить сложные инженерные задачи. Результаты исследования опубликованы в журнале Flow, посвященном механике жидкости.
«Высвобождение пробки, закрывающей бутылку шампанского, открывает перед исследователями множество разнообразных физических явлений. Они сопровождают внезапное открытие сосуда, частично заполненного жидкостью под давлением и растворенным газом — в основном, углекислым», — пишут авторы.
Ученые отмечают, что в момент выталкивания из бутылки на пробку воздействует большое количество факторов. Задачей ученых было разработать математическую модель, учитывающую только главные из них.
В расчеты были включены эффекты газовой динамики, взаимодействие жидкости и выталкиваемого тела, а также трение тела о горлышко. Кроме того, подробно рассматривалась струя газа, которая и образует сложную ударную структуру, выталкивающую пробку.
Со скоростью звука
Процесс открывания бутылки, как показало исследование, состоит из шести этапов. Большую часть из них мы не замечаем — глаз просто не в состоянии 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, созданная на примере бутылки с игристым вином, в будущем должна быть расширена на различные ситуации, с которыми сталкиваются инженеры при разработке новых устройств.
