Til sidst afklaret:Fysikken ved at poppe champagne

Når du fjerner proppen på en flaske champagne, opstår komplekse supersoniske fænomener. Forskere ved TU Wien har nu været i stand til at beregne præcis, hvad der sker for første gang.

Det lyder som et simpelt, velkendt hverdagsfænomen:der er højt tryk i en champagneflaske, proppen bliver drevet udad af den komprimerede gas i flasken og flyver afsted med en kraftig pop. Men fysikken bag dette er kompliceret.

Der er allerede udført forsøg med højhastighedskameraer, men en matematisk-numerisk analyse har manglet. Dette hul er nu lukket på TU Wien. Ved hjælp af komplekse computersimuleringer var det muligt at genberegne proppens og gasstrømmens opførsel.

I processen blev forbløffende fænomener opdaget:Der dannes en supersonisk chokbølge, og gasstrømmen kan nå mere end halvanden gange lydens hastighed. Resultaterne, som vises på pre-print serveren arXiv , er også vigtige for andre applikationer, der involverer gasstrømme omkring ballistiske missiler, projektiler eller raketter.

Chokbølgen fra flasken

"Selve champagneproppen flyver væk med en forholdsvis lav hastighed og når måske 20 meter i sekundet," siger Lukas Wagner, førsteforfatter til undersøgelsen, som er doktorand ved Institut for Fluid Mechanics and Heat Transfer ved TU Wien og udfører også forskning ved det private østrigske kompetencecenter for tribologi (AC2T).

"Gassen, der strømmer ud af flasken, er dog meget hurtigere," siger Wagner. "Den overhaler proppen, flyder forbi den og når hastigheder på op til 400 meter i sekundet."

Det er hurtigere end lydens hastighed. Gasstrålen bryder derfor lydmuren kort efter, at flasken er åbnet — og det er ledsaget af en stødbølge. Normalt ændres variable som tryk og temperatur i en gas kontinuerligt:​​To punkter, der er tæt på hinanden, har også nogenlunde det samme lufttryk. Men når der opstår en chokbølge, er tingene anderledes.

"Så kommer der spring i de her variable, såkaldte diskontinuiteter," siger Bernhard Scheichl (TU Wien &AC2T), Lukas Wagners afhandlingsvejleder. "Så har trykket eller hastigheden foran stødbølgen en helt anden værdi end lige bagved."

Dette punkt i gasstrålen, hvor trykket ændrer sig brat, er også kendt som "Mach-skiven". "Meget lignende fænomener kendes også fra supersoniske fly eller raketter, hvor udstødningsflyet forlader motorerne med høj hastighed," forklarer Stefan Braun (TU Wien), der kom med den oprindelige idé til projektet og vejledte hr. Wagners masterafhandling. på emnet. Mach-skiven dannes først mellem flasken og proppen og bevæger sig derefter tilbage mod flaskeåbningen.

Midlertidigt koldere end Nordpolen

Ikke kun gastrykket, men også temperaturen ændrer sig brat:"Når gas udvider sig, bliver det køligere, som vi kender fra spraydåser," forklarer Lukas Wagner. Denne effekt er meget udtalt i champagneflasken:Gassen kan køle ned til -130°C på visse punkter. Det kan endda ske, at der dannes små tøriskrystaller fra CO₂ der får den mousserende vin til at boble.

"Denne effekt afhænger af den oprindelige temperatur på den mousserende vin," siger Lukas Wagner. "Forskellige temperaturer fører til tøriskrystaller af forskellig størrelse, som så spreder lyset på forskellige måder. Det resulterer i forskelligt farvet røg. I princippet kan man måle temperaturen på den mousserende vin ved blot at se på røgens farve."

Korkudvidelse og chokbølgepopping

"Det faktum, at supersoniske fænomener faktisk opstår, når en flaske mousserende vin popper, var alt andet end klart i starten - man ville ikke nødvendigvis forvente det," siger Bernhard Scheichl. "Men vores simuleringer viser, at dette opstår helt naturligt fra væskemekanikkens ligninger, og vores resultater stemmer meget godt overens med eksperimenterne."

Det hørbare pop, når flasken åbnes, er en kombination af forskellige effekter:For det første udvider proppen sig brat, så snart den har forladt flasken, hvilket skaber en trykbølge, og for det andet kan du høre stødbølgen, genereret af den supersoniske gas. jet — meget lig det velkendte aeroakustiske fænomen med den soniske boom. Begge sammen er ansvarlige for den karakteristiske lyd af champagneproppen, der springer. Udvidelsen af ​​proppen blev modelleret baseret på eksperimenterne udført af hr. Wagner ved AC2T.

De metoder, der nu er blevet udviklet til at løse gåderne omkring champagneproppningens fysik, kan også anvendes på andre relaterede områder:Fra at affyre pistolkugler til at affyre raketter – i mange teknisk vigtige situationer har du at gøre med meget solide flowlegemer, der interagerer kraftigt med en meget hurtigere gasstrøm.

Flere oplysninger: Lukas Wagner et al., Simulering af åbningen af ​​en champagneflaske, arXiv (2023). DOI:10.48550/arxiv.2312.12271

Journaloplysninger: arXiv

Leveret af Vienna University of Technology