Physicists have figured out how exactly the characteristic sound produced when opening a bottle of beer with a toggle cap, which immediately follows the pop, is produced. It turned out that the main source was the oscillating gas column in the bottle neck. Scientists came to this conclusion when they analyzed high-speed video and audio recordings obtained when uncorking a bottle. The authors of the work also compared the results of the experiments with numerical calculations and the Helmholtz resonator model, obtaining almost complete agreement with the experiment. The study was published in Physics of Fluids.
To date, physicists have studied beer from a variety of unexpected angles: they have counted the number of bubbles in a vessel, figured out the stability of foam when pouring "bottom-up" and even studied peanuts dancing in a glass. The thing is that from the point of view of hydrodynamics, this is a very interesting liquid: it is under pressure in a bottle or can and also contains dissolved carbon dioxide.
For example, it is already known how gas flows out when a bottle is opened: when the pressure in the vessel exceeds the ambient pressure by 1.83 times, the outgoing gas flow reaches the speed of sound, becoming an underexpanded jet stream. Although physicists have already modeled the uncorking of champagne and even saw Mach diamonds during their experiments, no one has studied the sound made by opening a beer bottle with a toggle stopper (sometimes called a flip-top). In this case, we are not talking about the pop itself, but what follows it - a characteristic tone with a frequency of about hundreds of hertz.
A group of physicists from Austria and Germany, led by Max Koch from the University of Göttingen, found that when a bottle of beer with a flip-top cork is opened, a standing wave arises in the neck of the vessel, reverberating for 70 milliseconds and giving the sound a characteristic tonality. To do this, the scientists used home-brewed ginger beer, a camera with a recording frequency of 8 to 16.8 thousand frames per second, as well as sound recording equipment that made it possible to obtain spectra with a resolution of 25 hertz after the Fourier transform.
Physicists analyzed the data obtained and divided the opening of the bottle into four stages: the first is the release of gas with a shock wave, the reflection of this wave and condensation of water vapor; the second is the formation of a resonating gas-condensate column in the neck of the bottle; the third is the release of dissolved carbon dioxide from the liquid; the fourth is the splashing of liquid due to the fact that the boundary of the gas and liquid rises.
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.