Dlaczego bąbelki w szampanie pękają w linii prostej, podczas gdy bąbelki w piwie nie

Kiedy delektujemy się kieliszkiem szampana, większość z nas martwi się tylko tym, że kierunek, w którym podróżują bąbelki, jest w naszych gardłach.

Jednak naukowcy z Brown University nie mogli przestać się zastanawiać, dlaczego one idą prosto, podczas gdy te w innych napojach bezalkoholowych nie.

Aby rozwiązać problem, wlewali do pojemników szampana, piwo, wodę gazowaną i wino musujące, pompując gaz na dno.

Następnie zmieniali rozmiar bąbelków i dodawali różne składniki do napojów, zwracając uwagę na wpływ na bąbelki.

Stwierdzono, że duże bąbelki i dodatek specjalnych białek w szampanie stabilizują łańcuchy bąbelków, pozwalając im unosić się w linii prostej.

Naukowcy z Brown University odkryli, dlaczego bąbelki w szampanie (po lewej) płyną w górę w linii prostej, ale w innych napojach bezalkoholowych, takich jak piwo (po prawej), nie.

Stwierdzono, że duże bąbelki oraz dodatek specjalnych białek znajdujących się w szampanie stabilizują łańcuchy bąbelków, pozwalając im unosić się w linii prostej. Na zdjęciu: łańcuchy pęcherzyków tworzące się z rurki kapilarnej w czystym płynie, zwiększające prędkość przepływu od lewej do prawej. Kiedy częstotliwość pęcherzyków gazu wzrasta do szybkości łańcuchów pęcherzyków w szampanie, łańcuch gwałtownie traci stabilność

„To jest rodzaj badań, nad którymi pracuję od lat” – powiedział główny autor badania, profesor Roberto Zenit.

Większość ludzi nigdy nie widziała wycieku do oceanu ani zbiornika napowietrzającego, ale większość z nich wypiła napój gazowany, piwo lub kieliszek szampana.

„Mówiąc o szampanie i piwie, naszym głównym planem jest uświadomienie ludziom, że mechanika płynów jest ważna w ich codziennym życiu”.

Napoje bezalkoholowe zawierają bąbelki z powodu rozpuszczonego w nich dwutlenku węgla.

Jest dodawany, aby stworzyć musującą konsystencję, poprawić smak, a czasem zachować trwałość poprzez hamowanie wzrostu bakterii.

Gdy napój jest otwarty, ciśnienie zostaje uwolnione, powodując ulatnianie się dwutlenku węgla z roztworu w postaci bąbelków.

Bąbelki unoszą się na powierzchnię jeden po drugim, tworząc łańcuch, którego kierunek zależy od dynamiki płynów poszczególnych napojów.

W szampanie i winach musujących pęcherzyki gazu unoszą się w jednej linii skierowanej do góry, co jest znane jako „osiadły” łańcuch pęcherzyków.

W piwie, wodzie gazowanej i innych napojach bezalkoholowych bąbelki mogą odchylać się na bok, ponieważ pojawiają się w serii „niestabilnych” bąbelków.

Niestabilny łańcuch sprawia wrażenie, jakby w ogóle nie był w łańcuchu, a wiele bąbelków unosi się jednocześnie.

W swoim badaniu, opublikowanym dzisiaj w Physical Review Fluids, naukowcy chcieli dowiedzieć się, które pierwiastki wpłynęły na stabilność łańcucha pęcherzyków.

Najpierw nalali napój – gazowaną wodę Pellegrino, piwo Tecate, szampana Charlesa de Cazanove lub syrop po hiszpańsku – do prostokątnej miski.

Następnie wbili igłę w dno, przez którą pompowali stały strumień powietrza, tworząc łańcuch bąbelków.

Następnie naukowcy stopniowo zmieniali rozmiar bąbelków, zwiększając lub zmniejszając przepływ powietrza, i badali ich wpływ na łańcuch.

Dodali także specjalny rodzaj cząsteczki zwany „środkiem powierzchniowo czynnym”, o którym wiadomo, że pomaga stabilizować bąbelki.

Robią to, ponieważ mają dwie skrajności – jedną, która jest przyciągana do wody (hydrofilowość) i drugą, która jest odpychana przez wodę (hydrofobowość).

Kiedy gaz jest wdmuchiwany do cieczy zawierającej środki powierzchniowo czynne, cząsteczki ustawiają się na powierzchni utworzonego przez nią pęcherzyka.

Hydrofilowy koniec pozostaje w cieczy, a hydrofobowy koniec wystaje z gazu, tworząc barierę między nimi.

To stabilizuje bańkę, zmniejszając napięcie powierzchniowe, zapobiegając jej pękaniu i – w napojach bezalkoholowych – pomagając jej płynnie urosnąć.

Naukowcy odkryli, że większe bąbelki tworzą bardziej stabilne łańcuchy bąbelków, nawet bez obecności środka powierzchniowo czynnego.

To wyjaśnia, dlaczego w większości napojów bezalkoholowych bąbelki tworzą niestabilne łańcuchy, ponieważ zwykle zawierają mniejsze bąbelki.

Dodatek cząsteczek środka powierzchniowo czynnego stworzył również stabilne łańcuchy bąbelków, ponieważ zapobiega ich wypchnięciu z linii przez przedni ślad bąbelkowy.

Uważa się, że jest to główny powód, dla którego bąbelki szampana unoszą się w linii prostej – zawarte w nim białka działają jak środki powierzchniowo czynne.

Cząsteczki surfaktantu pomagają stabilizować bąbelki, ponieważ mają dwa końce – jeden przyciągany przez wodę (hydrofilowy), a drugi odpychany przez wodę (hydrofobowy). Kiedy gaz jest wdmuchiwany do cieczy zawierającej środki powierzchniowo czynne, cząsteczki ustawiają się na powierzchni utworzonego przez nią pęcherzyka. Hydrofilowy koniec pozostaje w cieczy, a hydrofobowy koniec wystaje z gazu, tworząc barierę między nimi. To stabilizuje bańkę, zmniejszając napięcie powierzchniowe, zapobiegając jej pękaniu i – w napojach bezalkoholowych – pomagając jej płynnie urosnąć

Dodatek środków powierzchniowo czynnych stworzył stabilne łańcuchy bąbelków, ponieważ zapobiega ich wykolejeniu przez ślad bąbelkowy z przodu. Uważa się, że jest to główny powód, dla którego bąbelki szampana unoszą się w linii prostej – zawarte w nim białka działają jak środki powierzchniowo czynne

„Teoria mówi, że te zanieczyszczenia, które działają jak środki powierzchniowo czynne w szampanie, są dobre” – powiedział profesor Zenit.

„To te cząsteczki białka, które nadają płynnemu smak i wyjątkowość, sprawiają, że łańcuchy bąbelków, które wytwarza, są stabilne”.

Dlatego też, pomimo niewielkich rozmiarów, w niektórych piwach bąbelki unoszą się w prostych, stałych łańcuchach – zawierają one również pewne białka, które działają jako środki powierzchniowo czynne.

Bąbelki w wodzie gazowanej zawsze tworzą niestabilne łańcuchy, ponieważ nie zawierają żadnych białek powierzchniowo czynnych, które chronią bąbelki przed wzajemnym przebudzeniem.

„To przebudzenie, to zaburzenie prędkości powoduje wydostawanie się bąbelków” – powiedział profesor Zenit.

„Zamiast mieć pojedynczą linię, bąbelki wyglądają bardziej jak stożek”.

Po eksperymentach fizycznych naukowcy stworzyli również komputerową symulację bąbelków w każdym napoju.

To powiedziało im, ile środka powierzchniowo czynnego dostało się do pęcherzyków gazu oraz o wadze i prędkości pęcherzyków.

Mają nadzieję, że ich odkrycia pomogą osobom projektującym zbiorniki napowietrzające i inne techniki mieszania napędzane bąbelkami.

Lepsze zrozumienie przepływów bąbelkowych może również pomóc w wyjaśnieniu przesiąkania oceanu, w którym metan i dwutlenek węgla wydobywają się z dna morskiego.

„Interesuje nas, w jaki sposób poruszają się te bąbelki i ich związek z zastosowaniami przemysłowymi i przyrodą” – powiedział profesor Zenit.