Вылет пробки из бутылки шампанского происходит на сверхзвуковой скорости
На первый взгляд, открытие бутылки шампанского кажется простым делом: высокое давление внутри бутылки выталкивает пробку с громким хлопком. Однако, согласно новому исследованию, кажущийся простым акт откупоривания пробки шампанского требует сверхзвуковой скорости.
Исследование, проведенное под руководством Лукаса Вагнера, докторанта Института механики жидкости и теплопередачи Венского технологического университета, раскрывает сложную взаимосвязь физики, стоящую за хлопком пробки шампанского.
Математико-числовой анализ
Хотя высокоскоростные камеры ранее уже фиксировали процесс откупоривания пробки шампанского, детальный математический анализ отсутствовал.
Исследователи из TU Wien использовали сложные компьютерные симуляции для точного моделирования поведения пробки и потока газа во время откупоривания.
Сверхзвуковые явления
Результаты анализа поражают воображение. При выходе газа из бутылки шампанского образуется сверхзвуковая ударная волна, достигающая скорости, превышающей скорость звука более чем в 1,5 раза.
Эти результаты, опубликованные на сервере предварительных отпечатков arXiv, имеют значительные последствия за пределами сферы шампанского, включая газовые потоки вокруг баллистических ракет, снарядов или ракет.
Понимание ударной волны
Вагнер объяснил, что в то время как пробка улетает со скромной скоростью около 20 метров в секунду, поток газа гораздо быстрее, превышая 400 метров в секунду. Этот стремительный поток обгоняет пробку, преодолевает звуковой барьер и создает ударную волну.
В отличие от обычного потока газа, где давление и температура меняются постепенно, ударная волна вызывает резкие скачки этих величин, создавая явление, известное как "диск Маха". Это открытие совпадает с аналогичными явлениями, наблюдаемыми в сверхзвуковых самолетах и ракетах.
Резкое падение температуры
Неожиданным аспектом этого явления является резкое падение температуры. Вагнер отметил, что расширяющийся газ в бутылке шампанского может остыть до -130°C, иногда образуя крошечные кристаллы сухого льда из CO2, содержащегося в игристом вине.
"Этот эффект зависит от исходной температуры игристого вина", - говорит Вагнер. "Разные температуры приводят к образованию кристаллов сухого льда разных размеров, которые затем по-разному рассеивают свет. В результате получается дым разного цвета. В принципе, вы можете измерить температуру игристого вина, просто посмотрев на цвет дыма".
Расширение пробки и слышимый хлопок
"То, что сверхзвуковые явления действительно происходят, когда бутылка игристого вина разбивается, поначалу было не совсем понятно - вы не должны были этого ожидать", - говорит Бернхард Шайхль, руководитель диссертации Вагнера. "Но наше моделирование показало, что это вполне естественно вытекает из уравнений механики жидкости, и наши результаты очень хорошо согласуются с экспериментами".
Характерный хлопающий звук сочетает в себе резкое расширение пробки, создающее волну давления, и ударную волну от сверхзвуковой газовой струи. Эта акустическая смесь сопоставима со звуковым бумом, наблюдаемым в аэроакустике.
Более широкие последствия
Методы, разработанные в ходе данного исследования, позволяют взглянуть на другие технические области, связанные с взаимодействием твердых тел с высокоскоростными газовыми потоками, например, на стрельбу пистолетными пулями или запуск ракет.
Исследование, проведенное в TU Wien, не только позволяет глубже понять динамику, лежащую в основе хлопанья шампанского, но и открывает путь к прогрессу в различных технологических и научных приложениях.
По сути, изучение простого хлопка пробки шампанского открывает окно к пониманию сложной гидродинамики в различных областях.
