Du vil skyte øynene dine ut: Spratt champagnekork slipper ut CO2 i supersoniske hastigheter

Poppet av en champagnekork viser seg å ha noe til felles med en rakettkaster, ifølge en fersk papir publisert i tidsskriftet Physics of Fluids. Forskere fra Frankrike og India brukte datasimuleringer for å avsløre i full detalj hva som skjer i løpet av mikrosekunder etter å ha tatt ut korken på en flaske champagne. De oppdaget at i det første millisekundet etter at korken spretter, danner den utstøpte gassen forskjellige typer sjokkbølger – selv når de når supersoniske hastigheter – før boblen legger seg og er klar til å bli sugd.

«Vårt papir avdekker de uventede og vakre flytmønstrene som er gjemt rett under nesen vår hver gang en flaske bobler fjernes.» sa medforfatter Gérard Liger-Belair ved universitetet i Reims Champagne-Ardenne. “Hvem kunne ha forestilt seg de komplekse og estetiske fenomenene skjult bak en så vanlig situasjon som noen av oss opplever?”

Liger-Belair kunne tenke seg det. Han har studert champagnes fysikk i årevis og er forfatter av Uncorked: The Science of Champagne. Han har skaffet seg en rekke innsikter i den underliggende fysikken ved å utsette champagne for blant annet lasertomografi, infrarød bildebehandling, høyhastighets videobilder og matematisk modellering.

I følge Liger-Belair oppstår champagnens brusing fra kjernedannelse av bobler på glassveggene. Når de løsner fra kjernedannelsesstedene, vokser boblene når de stiger til væskeoverflaten, brister og kollapser ved overflaten. Denne reaksjonen skjer vanligvis innen et par millisekunder, og den karakteristiske knitrende lyden avgis når boblene sprekker. Når boblene i champagne sprekker, produserer de dråper som frigjør aromatiske forbindelser som antas å forbedre smaken ytterligere.

Dessuten spiller størrelsen på boblene en avgjørende rolle i et virkelig godt glass champagne. Større bobler øker frigjøringen av aerosoler i luften over glasset – bobler omtrent 1,7 mm over overflaten. Og boblene i champagne “ring” ved spesifikke resonansfrekvenser, avhengig av størrelsen deres. Så det er mulig å “høre” størrelsesfordelingen til bobler når de stiger til overflaten i et glass champagne.

Som vi har rapportert tidligere, champagne er vanligvis laget av druer plukket tidlig på sesongen, når det er mindre sukker i frukten og høyere syrenivå. Druene presses og forsegles i beholdere for å gjære, akkurat som all annen vin. CO₂ produseres under gjæring, men det er lov å slippe unna fordi det du ønsker på dette stadiet er en basisvin. Så er det en ny gjæring, bortsett fra denne gangen, CO₂ er fanget i flasken, oppløses i vinen.

Å finne akkurat den rette balansen er avgjørende. Du trenger omtrent seks atmosfærer med trykk og 18 gram sukker, med bare 0,3 gram gjær. Ellers vil den resulterende champagnen enten være for flat, eller for mye trykk vil få flasken til å eksplodere. Du trenger også riktig temperatur, som påvirker trykket inne i flasken. Den høytrykks CO₂ frigjøres til slutt når korken sprettes, og frigjør en gasspluym blandet med vanndamp som ekspanderer ut av flaskehalsen og ut i omgivelsesluften.

Tidligere eksperimentelt arbeid av Liger-Belair og hans kolleger brukte høyhastighetsbilder for å demonstrere at sjokkbølger dannet seg når en champagnekork ble spratt. Med denne studien, “Vi ønsket å bedre karakterisere det uventede fenomenet en supersonisk flyt som finner sted under avkorking av champagneflaske,” sa medforfatter Robert Georges fra Universitetet i Rennes 1. “Vi håper simuleringene våre vil gi noen interessante spor til forskere, og de kan vurdere den typiske champagneflasken som et minilaboratorium.”

Basert på disse simuleringene identifiserte teamet tre forskjellige faser. Til å begynne med, når flasken er løsnet, blokkeres gassblandingen delvis av korken, slik at utkastet ikke kan nå lydens hastighet. Når korken slipper ut, kan gassen unnslippe radialt og treffe supersoniske hastigheter, og danne en rekke sjokkbølger som balanserer trykket.

Disse sjokkbølgene kombineres deretter for å danne avslørende ringmønstre kjent som sjokkdiamanter (aka, skyvediamanter eller Mach-diamanter etter Ernst Mach, som først beskrev dem), vanligvis observert i raketteksos. Til slutt bremses utkastet ned til subsoniske hastigheter igjen når trykket faller for lavt til å opprettholde det nødvendige dysetrykkforholdet mellom flaskehalsen og kanten av korken.

Forskningen er relevant for et bredt spekter av applikasjoner som involverer supersonisk strømning, inkludert ballistiske missiler, vindturbiner, undervannsfarkoster – og selvfølgelig en rakettkaster. “Baken som beveger seg bort fra utskytningsrampen når den stiger i luften, spiller da rollen som champagnekorken som de utkastede gassene slår mot,” forklarte forfatterne. “Tilsvarende blir forbrenningsgasser som kastes ut av pistolløpet kastet i supersoniske hastigheter på kulen. Problemene står overfor de samme fysiske fenomenene og kan behandles med samme tilnærming.”

DOI: Physics of Fluids, 2022. 10.1063/5.0089774 (Om DOIer).