Физики разобрались со стабильностью пивной пены при розливе «снизу-вверх»

Корейские и немецкие физики исследовали динамику образования пивной пены при наливе методом «снизу-вверх». Им удалось построить модель, согласующуюся с результатами экспериментов, и понять ключевые факторы, определяющие стабильность пены. Оказалось, что на нее существенно влияет размер пузырьков. Исследование опубликовано в Physics of Fluids.

Пенная шапка на пиве по-разному воспринимается носителями различных культур. Если на юге Англии идеальный бокал с пивом вообще не содержит шапки, то представить посетителей баварского Октоберфеста, держащих в руках напиток без пенной полосы сверху, практически невозможно. По этой причине формирование пены всегда было в фокусе внимания пивоваров.

Пена образуется из-за зарождения пузырьков углекислого газа в напитке и зависит от множества как химических, так и физических параметров, из-за чего исследование пены требует серьезных экспериментов. Так, французские химики связали количество пузырьков в коммерческом бутылочном пиве с некоторыми параметрами напитка, а датские физики разобрались, как на выход пены влияет тряска и постукивание банки. Мы также рассказывали, как понимание принципов образования пузырьков помогло напечатать на 3D-принтере бутылочную насадку для минимизации высоты пивной пены.

Несмотря на большое количество проделанной работы, на счету физиков довольно мало примеров, когда эксперименты с пивной пеной сопровождались и согласовывались с симуляцией ее динамики. Физики из Германии и Южной Кореи под руководством решили закрыть этот пробел для ситуации, когда пиво наливают через дно стакана (метод «снизу-вверх»).

Для метод налива «снизу-вверх» в стакане проделывают отверстие, которое герметично закрывается магнитом. Подача пива происходит на подходящем под него устройстве, приподнимающим и закрывающим магнит. Такой способ обладает рядом преимуществ, например, увеличенной в 3-4 раза скоростью налива.

Интерес у авторов к этому методу возник благодаря коллаборации со стартапом Einstein 1, разрабатывающим собственный метод налива. Для этого ученым был предоставлен 30-литровый кег с пшеничным пивом верхового брожения. Эксперимент заключался в многократном наполнении стакана при различных условиях: давлении и температуры. Весь процесс физики снимали на две цифровые камеры (одна сверху, другая сбоку), изображение из которых обрабатывали алгоритмы. Их интересовала структура, высота и стабильность пены, а также ее доля в полном объеме стакана.

Параллельно авторы занялись моделированием налива пива в стакан. Для этого они разбивали сам стакан и его объем на набор дискретных областей и применяли на них многофазный решатель Навье-Стокса с усреднением по Рейнольдсу (multiphase Reynolds-averaged Navier–Stokes solver). Этот метод позволял учитывать проникновение друг в друга различных фаз (газ, жидкость) и массо- и теплоперенос между ними.

В результате физики получили хорошее согласие симуляции с экспериментом. Таким образом они не только смогли выяснить, что чем выше температура и давление, тем большая доля напитка обращается в пену, но и понять, что размер пузырьков определяет стабильность пены. Исследование показало, что при розливе пива через дно разрушение пены длится в среднем в 25 раз медленнее, чем ее образование.

Пиво — это не единственный алкогольный напиток, важную роль в котором играют пузырьки. Мы уже рассказывали про их поведение в шампанском и мескале.