Физики объяснили фокус с бутылкой пива

Физики из Мадридского университета имени Карлоса III и Университета Кюри изучили гидравлические процессы, лежащие в основе фокуса с пивом, — когда удар по бутылке вызывает резкое вспенивание напитка. Исследование представлено на 66 конференции Американского физического общества в Питтсбурге. Аннотация доклада опубликована на сайте общества, а некоторые дополнительные подробности приводятся в пресс-релизе.

Согласно авторам, при ударе по открытой бутылке с пивом события развиваются следующим образом. В жидкости сперва сверху вниз проходит компрессионная волна, которая отражается от дна бутылки. Затем она проходит вверх, отражается от плечиков и после нескольких подобных движений затухает. В хвосте компрессионной волны возникает разряжение, из-за чего внутри жидкости возникают пузырьки газа, в основном состоящие из углекислого газа — это хорошо известное физикам явление называют кавитацией.

Крупные кавитационные пузырьки схлопываются, что вызывает локальное образование гораздо более мелких пузырьков. Их площадь поверхности гораздо больше и растут они, соответственно, гораздо быстрее. Рост происходит до тех пор, пока весь локальный углекислый газ не перейдет в пузырьки. Кластер таких пузырьков формирует облако, подобное «грибу» ядерного взрыва. Облако начинает двигаться вверх и здесь начинается самоускоряющийся процесс: чем крупнее пузырьки, тем они быстрее двигаются, а чем они быстрее двигаются, тем быстрее они растут, захватывая CO₂ из новых областей жидкости.

Гидродинамику фокуса удалось проследить благодаря высокоскоростной видеокамере, компьютерному моделированию процесса и лазеру, способному создавать пузырьки в напитке без движения бутылки. Используя последний, ученые показали, что на самоускоряющийся процесс роста компрессионные волны и кавитация не оказывают влияния — они нужны только для появления первых пузырьков. Когда эти пузырьки получали с помощью лазера, ситуация развивалась сходным образом.

Недавно другая группа физиков объяснила гидродинамику другого сходного фокуса с бутылкой, в которой обязательно используется дегазированная жидкость, например вода. В фокусе при ударе о горлышко у бутылки отваливается дно. Ученые показали, что это вызывается образованием кавитационного пузыря у основании бутылки, схлопывание которого и выбивает дно. Интересно, что с насыщенными газом жидкостями такой фокус не получается — кавитация в них вызывает образование пены по механизму, который стал предметом настоящего исследования.