Японські фізики пояснили формування осідаючих «каскадів» бульбашок у пиві «Гіннесс» і розробили критерій, який дозволяє його передбачити. За словами вчених, освіту «каскадів» запускають нестабільності біля нахиленої стінки гуртка, які потім поширюються на весь обсяг за рахунок гравітаційних струмів. Загалом же цей процес нагадує утворення хвиль на поверхні води під дією вітру. Стаття опублікована в.
Як правило, розчинені в рідині бульбашки газу швидко спливають, підкоряючись закону Архімеда. Однак у разі пива «Гіннесс», налитого в «пінту-тюльпан», це не так. Всупереч очікуванням, дрібні бульбашки діаметром близько 50 мікронів розподіляються по всьому обсягу гуртки, а частина бульбашок осідає на дно. Більш того, падаючі бульбашки утворюють характерну хвилеподібну структуру («каскади» бульбашок). Повністю пояснити цю поведінку вченим поки не вдалося, хоча «Гіннесс» з характерними потопаючими бульбашками подають вже більше 50 років.
Оскільки «Гіннесс» непрозорий, більшість дослідників його бульбашок покладаються на чисельне моделювання. Такі дослідження показують, що незвичайна поведінка бульбашок визначається характерною формою гуртка, яка розширюється до вершини. Через розширювану ділянку в гуртку виникає плівка «чистої» рідини, вільної від бульбашок. Оскільки така плівка важча за пиво з бульбашками, вона починає падати і захоплювати за собою бульбашки, поки остаточно не зруйнується. На жаль, пояснити формування «каскадів» така модель не може. З іншого боку, альтернативні моделі, які пояснюють «каскади», не можуть передбачити утворення «чистої» плівки і падіння бульбашок.
Група вчених під керівництвом Такаші Шіоно (Takashi Shiono) емпірично вивела критерій, при якому формуються «каскади» і починають падати бульбашки, і запропонувала якісне пояснення процесам, що відбуваються. Іншими словами, вчені відтворили ці процеси в контрольованих умовах і побудували просту модель, яка описує їх динаміку.
Спочатку вчені простежили за утворенням бульбашок у звичайній пінті «Гіннесса» і виміряли параметри пива. Для цього фізики використовували пиво зі звичайної 330-мілілітрової банки. Виявилося, що щільність такого пива приблизно дорівнює 1,006 кілограма на кубічний літр, в'язкість - 2,1 сантипуаза, об'ємний вміст бульбашок становить вісім відсотків, а середній діаметр бульбашки - 61 мікрон. На висоті близько семи сантиметрів від донечка склянки формувалися чітко відмінні «каскади», які поступово падали вниз і повністю руйнувалися, коли досягали висоти три сантиметри. Кут нахилу стінки в цій області становив 15 градусів. Поступово відстань між площиною формування і знищення «каскадів» скорочувалася, при цьому величина пінної шапки зростала.
Потім вчені відтворили ці параметри, додаючи у водопровідну воду (в'язкість 0,9 сантипуаз, щільність один кілограм на літр) кульки діаметром 47 мікрометрів, заповнені азотом або вуглекислим газом. На відміну від «Гіннесса», ця рідина була прозорою, що дозволило вченим відстежити траєкторії частинок і виміряти їх швидкість. Для цього вчені розчиняли у воді 15-мікронні флуоресціюючі частинки, просвічували її лазером і записували отримувану картину на швидкісну камеру. Щоб контролювати формування «чистого» шару і «каскадів» частинок було простіше, вчені наливали замінник пива не в склянку, а в ємності з прямими стінками - трапецію або нахилений паралелепіпед.
Щоб встановити, як нахил стінки пов'язаний з формуванням «каскадів», вчені нахиляли прямокутний акваріум під різними кутами і стежили за поведінкою бульбашок. Виявилося, що при кутах близько нуля, 45 і 60 градусів кульки рівномірно розподіляються за обсягом рідини, однак при кутах з діапазону 5-20 градусів дослідникам вдалося відтворити характерну текстуру, що виникає в «Гіннессі». Така залежність вказує на те, що структури утворюються при обуренні рідини біля стінки, а потім поширюються на весь обсяг за рахунок гравітаційних струмів. Це припущення стає ще більш очевидним, якщо розглянути трапеціевидний акваріум. У цьому випадку характерна «каскадна» структура в усьому обсязі не могла встановитися ні при одному вугіллі нахилу бічної стінки, проте біля стінки частинки весь час падали вниз.
Відштовхуючись від експериментальних даних, дослідники розробили критерії, які дозволяють передбачити формування «каскадів». Для цього вчені розглянули падіння тонкої плівки «чистої» рідини в нескінченно широкому склянці з похилими прямими стінками, розрахували для такої системи числа Рейнольдса і Фруда. Грубо кажучи, число Рейнольдса відображає ступінь турбулентності потоку, а число Фруда визначає ставлення сил інерції і тяжкості, що діють на плівку. Крім того, вчені оцінили величину флуктуацій швидкості рідини біля стінки, які запускають формування «каскадів». Виявилося, що при малих числах Фруда величина флуктуацій тим менше, чим вище число Рейнольдса (тобто чим більш турбулентний потік), а при великих числах Фруда різко зростає. За словами вчених, це вказує на те, що формування «каскадів» пов'язане з нагонними хвилями Толлміна - Шліхтінга (Tollmien - Schlichting wave) - хвилями, які утворюються на поверхні води під дією вітру.
Нарешті, фізики повторили вимірювання для бульбашок діаметром від 34 до 75 мікронів і отримали для них таку ж якісну поведінку. У той же час, вчені підкреслюють, що бульбашки в пиві «Будвайзер», шампанському і газованій воді, діаметр яких досягає 500 мікронів, ведуть себе зовсім по-іншому - такі бульбашки занадто швидко піднімаються і не можуть потрапити в спадний потік рідини. Тому дослідники підсумовують, що в критерій формування характерної структури має входити не тільки число Фруда, але і розмір бульбашок. Втім, дослідження цього питання вчені вирішили відкласти на майбутнє.
Автори статті вважають, що їхня робота становить не тільки теоретичний інтерес. Зокрема, вчені сподіваються, що вона дозволить краще контролювати потоки бульбашок у пивоварній машині.
Раніше ми вже писали про серйозні дослідження алкогольних напоїв, що потрапили в рецензовані журнали. Наприклад, у березні 2016 року дослідники з Прінстонського університету пояснили причини, через які висихаюча крапля віскі утворює красиве рівномірне покриття. Для цього вчені об'єдналися з фотографом Ерні Баттоном, які відкрив це явище. У серпні 2017 шведські хіміки пояснили, чому віскі корисно розбавляти водою - виявилося, що при концентрації близько 45 відсотків ароматичним компонентам легше випаровуватися з напою і досягати нюшних рецепторів. А в листопаді того ж року вчені з Університету Манчестера розробили мембрану на основі оксиду графену, за допомогою якої можна очищати від барвників алкогольні напої - зокрема, коньяк і віскі.