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.
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.
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.
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 Рейнольдса и 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.
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 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
ST-40 построен частной британской компанией
Американские и британские физики установили рекорд по достигнутой ионной температуре плазмы в сферических токамаках, который оказался сравним с температурой плазмы в будущем термоядерном реакторе ITER. Рекорд установлен на небольшом частном сферомаке ST40 и доказывает перспективность установок такого типа для работ в области термоядерной энергетики. Статья опубликована в журнале Nuclear Fusion. Сферические токамаки (сферомаки) представляют собой разновидность токамаков — магнитных ловушек, в которых шнур из высокотемпературной плазмы в виде тора, где идут реакции слияния ядер дейтерия и трития, удерживается внутри вакуумной камеры мощными магнитными полями, которые не дают ему коснуться стенок камеры. Однако, в отличие от обычных токамаков у сферомаков меньшее аспектное отношение (отношение большого радиуса тора к малому), которое близко к единице. Считается, что плазма в таких установках может удерживаться дольше и стабильнее, при этом не требуется создавать установку огромных размеров, как экспериментальные реакторы-токамаки ITER или DEMO. Особенно интересны сферомаки в контексте использования в их магнитной системе высокотемпературных сверхпроводников. Но необходимо решить множество физических и инженерных проблем, прежде чем удостовериться, что сферомаки можно рассматривать в качестве перспективных термоядерных реакторов. ST40 — один из действующих экспериментальных сферомаков. Этот компактный токамак был построен частной британской компанией Tokamak Energy и получил первую плазму в 2017 году. Сферомак оснащен вакуумной камерой из нержавеющей стали и сверхпроводящими тороидальными магнитными катушками. Он характеризуется аспектным отношением 1,6–1,9, большим радиусом плазмы 0,4–0,5 метра, током плазмы в диапазоне 0,4–0,8 мегаампер и осевым тороидальным магнитным полем 1,5–2,2 Тесла. Зажигание разряда инициируется за счет компрессии и магнитного пересоединения, без центрального соленоида, который служит для дальнейшего нагрева плазмы. Дополнительный нагрев плазмы обеспечивается двумя системами инжекции высокоэнергетичных нейтральных частиц дейтерия в плазменный шнур. Физики из Принстонской лаборатории физики плазмы, Ок-Риджской национальной лаборатории и Tokamak Energy во главе со Стивеном Макнамарой (Steven A.M. McNamara) сообщили, что достигли рекордно большой для всех сферомаков температуры ионов дейтерия, которая составила 8,6 килоэлектронвольт в центре плазменного шнура. Объем плазмы во время эксперимента составлял 0,9 кубического метра, ток плазмы — 0,6 мегаампер, время жизни разряда — чуть менее 0,15 секунды, а тороидальное магнитное поле — 1,9 Тесла. Максимальная электронная плотность плазмы составила 4,5×1019 частиц в кубическом метре, усредненная, которая поддерживалась во время импульса — 4×1019 частиц в кубическом метре. Достигнутая температура ионов стала самой высокой для сферомаков или токамаков сопоставимых размеров, похожие температуры достигались только на более крупных установках. Для сравнения — в проекте международного термоядерного реактора ITER предполагается достижение ионной температуры в 8 и выше килоэлектронвольт, однако время горения разряда там должно составить около 400 секунд, правда сам реактор гораздо больше по размерам, чем ST-40. Значение тройного термоядерного произведения (температура на плотность плазмы на время удержания энергии, выступает как аналог критерия Лоуссона) для ST-40 составило 6×1018 килоэлектронвольт на секунду, деленное на кубический метр. Результаты экспериментов показывают, что высокие температуры действительно могут быть получены в небольших по размерам сферомаках с сильным магнитным полем. Tokamak Energy надеется, что сможет в середине 2020-х годов ввести в эксплуатацию новый сферомак ST-HTS, который будет оснащен магнитной системой, использующей высокотемпературные сверхпроводники. Ранее мы рассказывали о том, как российские физики рекордно разогрели плазму в сферическом токамаке «Глобус-М2».