Vystřelíš si oko: Prasklý korek ze šampaňského uvolňuje CO2 nadzvukovou rychlostí

Ukázalo se, že praskání korku šampaňského má něco společného s raketometem, podle nedávného článku publikovaného v časopise Physics of Fluids. Vědci z Francie a Indie pomocí počítačových simulací odhalili, co se děje v mikrosekundách po odvíčkování láhve šampaňského do úplných detailů. Zjistili, že v první milisekundě po prasknutí korku vytváří vyvržený plyn různé typy rázových vln – dokonce dosahující nadzvukové rychlosti – předtím, než se bublina usadí a je připravena nasát.

„Náš papír odhaluje nečekané a krásné vzory toku, které jsou skryté přímo pod naším nosem pokaždé, když je láhev bublinek odzátkována,“ řekl spoluautor Gérard Liger-Belair z University of Reims Champagne-Ardenne. „Kdo si mohl představit složité a estetické jevy skryté za tak běžnou situací, kterou zažívá kdokoli z nás?“

Liger-Belair si to dokázal představit. Léta studuje fyziku šampaňského a je autorem Uncorked: The Science of Champagne. Získal četné poznatky o základní fyzice tím, že mimo jiné podrobil šampaňské laserové tomografii, infračervenému zobrazování, vysokorychlostnímu zobrazování videa a matematickému modelování.

Šumivost šampaňského vzniká podle Liger-Belair z nukleace bublin na skleněných stěnách. Jakmile se oddělí od svých nukleačních míst, bubliny rostou, jak stoupají k povrchu kapaliny, praskají a srážejí se na povrchu. Tato reakce obvykle nastane během několika milisekund a při prasknutí bublin se ozve charakteristický praskavý zvuk. Když bubliny v šampaňském prasknou, produkují kapičky, které uvolňují aromatické sloučeniny, o kterých se předpokládá, že dále zvýrazňují chuť.

Také velikost bublin hraje rozhodující roli ve skutečně dobré sklence šampaňského. Větší bubliny zlepšují uvolňování aerosolů do vzduchu nad sklem – bubliny přibližně 1,7 mm přes povrch. A bublinky v šampaňském „zvoní“ na konkrétních rezonančních frekvencích v závislosti na jejich velikosti. Je tedy možné „slyšet“ rozložení velikosti bublinek, jak stoupají na povrch ve sklenici šampaňského.

Jak jsme již uvedli dříve, šampaňské se obvykle vyrábí z hroznů sbíraných na začátku sezóny, kdy je v ovoci méně cukru a vyšší hladiny kyselin. Hrozny jsou lisovány a uzavřeny v nádobách, aby kvasily, stejně jako každé jiné víno. CO₂ vzniká během kvašení, ale může unikat, protože to, co v této fázi chcete, je základní víno. Poté dochází ke druhé fermentaci, tentokrát s výjimkou CO₂ je zachycen v láhvi a rozpouští se ve víně.

Je důležité dosáhnout správné rovnováhy. Potřebujete asi šest atmosfér tlaku a 18 gramů cukru s pouhými 0,3 gramy droždí. V opačném případě bude výsledné šampaňské buď příliš ploché, nebo přílišný tlak způsobí výbuch láhve. Potřebujete také správnou teplotu, která ovlivňuje tlak uvnitř láhve. Ten vysokotlaký CO₂ se nakonec uvolní, když korek praskne, přičemž se uvolní oblak plynu smíchaný s vodní párou, která expanduje z úzkého hrdla do okolního vzduchu.

Předchozí experimentální práce Liger-Belaira a jeho kolegů používala vysokorychlostní zobrazování k demonstraci toho, že rázové vlny se vytvořily, když došlo k prasknutí korku šampaňského. Touto studií jsme chtěli lépe charakterizovat neočekávaný jev nadzvukového proudění, ke kterému dochází během odvíčkování láhve šampaňského, řekl spoluautor Robert Georges z University of Rennes 1. „Doufáme, že naše simulace nabídnou zajímavé vodítka. výzkumníkům a mohli by typickou láhev šampaňského považovat za minilaboratoř.“

Na základě těchto simulací tým identifikoval tři odlišné fáze. Zpočátku, když je láhev odzátkována, je směs plynů částečně blokována korkem, takže ejekta nemůže dosáhnout rychlosti zvuku. Jak se korek uvolňuje, plyn pak může unikat radiálně a dosahovat nadzvukových rychlostí, čímž vzniká sled rázových vln, které vyrovnávají jeho tlak.

Tyto rázové vlny se pak spojí a vytvoří výmluvné prstencové vzory známé jako rázové diamanty (neboli tahové diamanty nebo Machovy diamanty podle Ernsta Macha, který je jako první popsal), typicky pozorované v oblacích výfuku raket. Nakonec se ejekta opět zpomalí na podzvukovou rychlost, když tlak klesne příliš nízko na to, aby byl zachován požadovaný poměr tlaku trysky mezi úzkým hrdlem a okrajem korku.

Výzkum je relevantní pro širokou škálu aplikací zahrnujících nadzvukové proudění, včetně balistických střel, větrných turbín, podvodních vozidel – a samozřejmě raketometu. „Země, která se vzdaluje od odpalovacího zařízení, když stoupá vzduchem, pak hraje roli korku šampaňského, na který dopadají vyvržené plyny,“ vysvětlili autoři. „Podobně jsou spaliny vystřikované z hlavně zbraně vrhány nadzvukovou rychlostí na kulku. Problémy se potýkají se stejnými fyzikálními jevy a lze je řešit pomocí stejného přístupu.“

DOI: Physics of Fluids, 2022. 10.1063/5.0089774 (O DOIs).