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 turns out that the primary source is the oscillating gas column in the bottle's neck. The scientists reached this conclusion after analyzing high-speed video and audio recordings of bottle uncorking. The authors also compared their experimental results with numerical simulations and a Helmholtz resonator model, achieving almost complete agreement with experiment. The study was published in Physics of Fluids.
To date, physicists have studied beer from a variety of unexpected angles: they've counted the number of bubbles in a bottle, examined the stability of foam when poured from the bottom up, and even examined a peanut dancing in a glass. The point is that, from a hydrodynamic perspective, beer is a very interesting liquid: it's under pressure in a bottle or can and also contains dissolved carbon dioxide.
For example, it's already known how gas escapes when a bottle is opened: when the pressure in the container exceeds the ambient pressure by 1.83 times, the escaping gas flow reaches the speed of sound, becoming an underexpanded jet stream. Although physicists have already modeled the uncorking of champagne and even observed Mach diamonds during their experiments, no one has studied the sound produced by opening a beer bottle with a pull-top closure (sometimes called a flip-top closure). This isn't the pop itself, but what follows—a characteristic tone with a frequency of around hundreds of hertz.
A team of physicists from Austria and Germany, led by Max Koch of the University of Göttingen, discovered that opening a flip-top beer bottle creates a standing wave in the neck of the vessel, reverberating for 70 milliseconds and imparting a characteristic tonality to the sound. To do this, the scientists used homemade ginger beer, a camera recording at 8,000 to 16,800 frames per second, and sound recording equipment that allowed them to obtain spectra with a resolution of 25 hertz after Fourier transformation.
Physicists analyzed the data obtained and divided the bottle's opening into four stages: the first is the release of gas with a shock wave, the reflection of this wave, and the condensation of water vapor; the second is the formation of a resonating gas-condensate column in the bottle's neck; the third is the release of dissolved carbon dioxide from the liquid; and the fourth is the splashing of the liquid due to the rising gas-liquid boundary.
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.
