Физики объяснили звук открывающейся бутылки пива с бугельной пробкой

Физики разобрались, как именно получается характерный звук при открывании бутылки пива с бугельной пробкой, который следует сразу за хлопком. Выяснилось, что основным источником стал колеблющийся газовый столб в бутылочном горлышке. К таким выводам пришли ученые, когда проанализировали высокоскоростные видео и аудиозаписи, полученные при откупоривании бутылки. Авторы работы также сравнили результаты опытов с численными расчетами и моделью резонатора Гельмгольца, получив практически полное совпадение с экспериментом. Исследование опубликовано в Physics of Fluids.

На сегодняшний день физики изучили пиво с самых разных и неожиданных сторон: посчитали количество пузырьков в сосуде, разобрались со стабильностью пены при розливе «снизу-вверх» и даже исследовали танцующий в бокале арахис. Все дело в том, что с точки зрения гидродинамики это очень интересная жидкость: она находится в бутылке или банке под давлением и к тому же содержит в себе растворенный углекислый газ.

Например, уже известно, как истекает газ при открытии бутылки: когда давление в сосуде превышает давление окружающей среды в 1,83 раза, выходящий поток газа достигает скорости звука, становясь недорасширенным струйным потоком. Хотя физики уже смоделировали откупоривание шампанского и даже увидели алмазы Маха во время своих экспериментов, никто не изучал звук, издаваемый открывающейся бутылкой пива с бугельной пробкой (иногда ее называют откидной). При этом речь идет не о самом хлопке, а том, что следует за ним — характерный тон частотой около сотен герц.

Группа физиков из Австрии и Германии под руководством Макса Коха (Max Koch) из Гёттингенского университета выяснила, что при открытии бутылки пива с откидной пробкой в горлышке сосуда возникает стоячая волна, реверберирующая в течение 70 миллисекунд и придающая звуку характерную тональность. Для этого ученые использовали сваренное в домашних условиях имбирное пиво, камеру с частотой записи от 8 до 16,8 тысячи кадров в секунду, а также звукозаписывающее оборудование, которое позволило получить спектры с разрешением 25 герц после преобразования Фурье.

Физики проанализировали полученные данные и разделили открытие бутылки на четыре стадии: первая — выход газа с ударной волной, переотражение этой волны и конденсация водяного пара; вторая — образование резонирующего газо-конденсатного столба в горлышке бутылки; третья — выделение из жидкости растворенного углекислого газа; четвертая — разбрызгивание жидкости из-за того, что граница газа и жидкости поднимается.

Во время второй стадии столб газа бутылочном горлышке колебался вверх-вниз с большой амплитудой в течение 70-100 миллисекунд — это и стало источником основного акустического сигнала. Спектр самого звука имел один сильный пик на частоте между 640 и 870 герц (в зависимости от наполненности бутылки: от наименьшего объема жидкости в сосуде к наибольшему), что указало на синусоидальную форму сигнала, поступившего в микрофон. При этом сверхзвуковая скорость процесса осталась под вопросом, поскольку скорость, с которой вышел фронт конденсата, составила 50-150 метров секунду. Это меньше, чем скорость звука в воздухе (около 330 метров в секунду при нормальных условиях), однако авторы исследования отметили, что локально потоки все-таки могли превысить сверхзвуковой предел.

Ученые численно смоделировали процесс откупоривания бутылки, представив выходящий газ как адиабатический, невязкий и невесомый. Физики посчитали процесс адиабатическим из-за его кратковременности, а также не учли влияние гравитации, так как число Фруда в эксперименте составило примерно 635 единиц (соответственно, гравитационный член в уравнении Навье — Стокса оказался пренебрежимо мал). В итоге моделирование очень точно совпало с экспериментальными данными. Помимо этого, авторы статьи рассмотрели модель резонатора Гельмгольца, которая также хорошо описала наблюдаемый резонанс с теоретической точки зрения.

Ученые подчеркнули, что их исследование стало первым, которое опровергло распространенное мнение о природе звука открывающегося шампанского или пива, но вместе с тем в работе осталось еще несколько нерешенных вопросов. Например, о том, что происходит в первые миллисекунды открытия сосуда, которые не удалось зафиксировать с достаточным разрешением ни с помощью камеры, ни с помощью микрофона.

Физики любят не только пиво и шампанское, но и другие газированные напитки: о том, как ученые возложили ответственность за цепочки пузырьков на поверхностно-активные вещества, мы писали ранее.