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

Tomoaki Watamura et al. / Scientific Reports, 2019
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.
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 объяснили причины, 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