Оседающие «каскады» пузырьков в «Гиннессе» сравнили с нагонной волной

Японские физики объяснили формирование оседающих «каскадов» пузырьков в пиве «Гиннесс» и разработали критерий, который позволяет его предсказать. По словам ученых, образование «каскадов» запускают нестабильности около наклоненной стенки кружки, которые затем распространяются на весь объем за счет гравитационных токов. В целом же этот процесс напоминает образование волн на поверхности воды под действием ветра. Статья опубликована в Scientific Reports.

Как правило, растворенные в жидкости пузырьки газа быстро всплывают, подчиняясь закону Архимеда. Однако в случае пива «Гиннесс», налитого в «пинту-тюльпан», это не так. Вопреки ожиданиям, мелкие пузырьки диаметром порядка 50 микронов распределяются по всему объему кружки, а часть пузырьков оседает на дно. Более того, падающие пузырьки образуют характерную волнообразную структуру («каскады» пузырьков). Полностью объяснить это поведение ученым пока не удалось, хотя «Гиннесс» с характерными тонущими пузырьками подают уже более 50 лет.

Поскольку «Гиннесс» непрозрачен, большинство исследователей его пузырьков полагаются на численное моделирование. Такие исследования показывают, что необычное поведение пузырьков определяется характерной формой кружки, которая расширяется к вершине. Из-за расширяющегося участка в кружке возникает пленка «чистой» жидкости, свободной от пузырьков. Поскольку такая пленка тяжелее пива с пузырьками, она начинает падать и увлекать за собой пузырьки, пока окончательно не разрушится. К сожалению, объяснить формирование «каскадов» такая модель не может. С другой стороны, альтернативные модели, которые объясняют «каскады», не могут предсказать образование «чистой» пленки и падение пузырьков.

Группа ученых под руководством Такаши Шионо (Takashi Shiono) эмпирически вывела критерий, при котором формируются «каскады» и начинают падать пузырьки, и предложила качественное объяснение происходящим процессам. Другими словами, ученые воспроизвели эти процессы в контролируемых условиях и построили простую модель, которая описывает их динамику.

Сначала ученые проследили за образованием пузырьков в обычной пинте «Гиннесса» и измерили параметры пива. Для этого физики использовали пиво из обычной 330-миллилитровой банки. Оказалось, что плотность такого пива примерно равна 1,006 килограмма на кубический литр, вязкость — 2,1 сантипуаза, объемное содержание пузырьков составляет восемь процентов, а средний диаметр пузырька — 61 микрон. На высоте около семи сантиметров от донышка стакана формировались четко различимые «каскады», которые постепенно падали вниз и полностью разрушались, когда достигали высоты три сантиметра. Угол наклона стенки в этой области составлял 15 градусов. Постепенно расстояние между плоскостью формирования и уничтожения «каскадов» сокращалась, при этом величина пенной шапки росла.

Формирование и исчезновение тонущих «каскадов» пузырьков (видео ускорено в 12 раз)

Tomoaki Watamura et al. / Scientific Reports, 2019

Затем ученые воспроизвели эти параметры, добавляя в водопроводную воду (вязкость 0,9 сантипуаз, плотность один килограмм на литр) шарики диаметром 47 микрометров, заполненные азотом или углекислым газом. В отличие от «Гиннесса», эта жидкость была прозрачной, что позволило ученым отследить траектории частиц и измерить их скорость. Для этого ученые растворяли в воде 15-микронные флуоресцирующие частицы, просвечивали ее лазером и записывали получающуюся картину на скоростную камеру. Чтобы контролировать формирование «чистого» слоя и «каскадов» частиц было проще, ученые наливали заменитель пива не в стакан, а в емкости с прямыми стенками — трапецию или наклоненный параллелепипед.

Параметры стакана и аквариумов, которые участвовали в эксперименте

Tomoaki Watamura et al. / Scientific Reports, 2019

Схема наблюдений за потоками частиц (a) и измерения фазовой скорости жидкости (c). На нижней картинке приведена схема формирования тонкого слоя «чистой» жидкости

Tomoaki Watamura et al. / Scientific Reports, 2019

Чтобы установить, как наклон стенки связан с формированием «каскадов», ученые наклоняли прямоугольный аквариум под разными углами и следили за поведением пузырьков. Оказалось, что при углах около нуля, 45 и 60 градусов шарики равномерно распределяются по объему жидкости, однако при углах из диапазона 5–20 градусов исследователям удалось воспроизвести характерную текстуру, возникающую в «Гиннессе». Такая зависимость указывает на то, что структуры образуются при возмущении жидкости около стенки, а затем распространяются на весь объем за счет гравитационных токов. Это предположение становится еще более очевидным, если рассмотреть трапециевидный аквариум. В этом случае характерная «каскадная» структура во всем объеме не могла установиться ни при одном угле наклона боковой стенки, однако около стенки частицы все время падали вниз.

Характерные структуры в пиве (и его заменителе) при разных углах наклона

Tomoaki Watamura et al. / Scientific Reports, 2019

Отталкиваясь от экспериментальных данных, исследователи разработали критерии, которые позволяют предсказать формирование «каскадов». Для этого ученые рассмотрели падение тонкой пленки «чистой» жидкости в бесконечно широком стакане с наклонными прямыми стенками, рассчитали для такой системы числа Рейнольдсаи Фруда. Грубо говоря, число Рейнольдса отражает степень турбулентности потока, а число Фруда определяет отношение сил инерции и тяжести, действующих на пленку. Кроме того, ученые оценили величину флуктуаций скорости жидкости около стенки, которые запускают формирование «каскадов». Оказалось, что при малых числах Фруда величина флуктуаций тем меньше, чем выше число Рейнольдса (то есть чем более турбулентный поток), а при больших числах Фруда резко возрастает. По словам ученых, это указывает на то, что формирование «каскадов» связано с нагонными волнами Толлмина—Шлихтинга (Tollmien—Schlichting wave) — волнами, которые образуются на поверхности воды под действием ветра.

Схема формирования «каскада» за счет нестабильности около стенки

Tomoaki Watamura et al. / Scientific Reports, 2019

Наконец, физики повторили измерения для пузырьков диаметром от 34 до 75 микронов и получили для них такое же качественное поведение. В то же время, ученые подчеркивают, что пузырьки в пиве «Будвайзер», шампанском и газированной воде, диаметр которых достигает 500 микронов, ведут себя совершенно по-другому — такие пузырьки слишком быстро поднимаются и не могут попасть в нисходящий поток жидкости. Поэтому исследователи заключают, что в критерий формирования характерной структуры должно входить не только число Фруда, но и размер пузырьков. Впрочем, исследование этого вопроса ученые решили отложить на будущее.

Авторы статьи считают, что их работа представляет не только теоретический интерес. В частности, ученые надеются, что она позволит лучше контролировать потоки пузырьков в пивоваренной машине.

Ранее мы уже писали про серьезные исследования алкогольных напитков, попавшие в рецензируемые журналы. Например, в марте 2016 года исследователи из Принстонского университета объяснилипричины, по которым высыхающая капля виски образует красивое равномерное покрытие. Для этого ученые объединились с фотографом Эрни Баттоном, которые открыл это явление. В августе 2017 шведские химики объяснили, почему виски полезно разбавлять водой — оказалось, что при концентрации около 45 процентов ароматическим компонентам легче испаряться из напитка и достигать обонятельных рецепторов. А в ноябре того же года ученые из Университета Манчестера разработали мембрану на основе оксида графена, с помощью которой можно очищать от красителей алкогольные напитка — в частности, коньяк и виски. 

Дмитрий Трунин

Источник: сетевое издание Н+1