Fizycy odkryli, jak dokładnie powstaje charakterystyczny dźwięk, który powstaje podczas otwierania butelki piwa za pomocą zakrętki, a który następuje bezpośrednio po trzasku. Okazuje się, że głównym źródłem dźwięku jest oscylująca kolumna gazu w szyjce butelki. Naukowcy doszli do tego wniosku po przeanalizowaniu szybkich nagrań wideo i audio z odkorkowywania butelki. Autorzy porównali również wyniki swoich eksperymentów z symulacjami numerycznymi i modelem rezonatora Helmholtza, uzyskując niemal całkowitą zgodność z wynikami eksperymentu. Badanie zostało opublikowane w czasopiśmie „Physics of Fluids”.
Do tej pory fizycy badali piwo z wielu nieoczekiwanych perspektyw: liczyli liczbę bąbelków w butelce, badali stabilność piany przy nalewaniu od dołu do góry, a nawet badali orzeszka ziemnego tańczącego w szklance. Chodzi o to, że z hydrodynamicznego punktu widzenia piwo jest bardzo interesującą cieczą: znajduje się pod ciśnieniem w butelce lub puszce i zawiera również rozpuszczony dwutlenek węgla.
Na przykład, wiadomo już, jak gaz ulatnia się podczas otwierania butelki: gdy ciśnienie w pojemniku przekroczy ciśnienie otoczenia 1,83-krotnie, uciekający strumień gazu osiąga prędkość dźwięku, stając się niedorozprężonym strumieniem strumieniowym. Chociaż fizycy modelowali już odkorkowanie szampana, a nawet obserwowali diamenty Macha podczas swoich eksperymentów, nikt nie badał dźwięku wytwarzanego przez otwieranie butelki piwa z zamknięciem typu pull-top (czasami nazywanym zamknięciem flip-top). Nie jest to samo pęknięcie, ale to, co następuje – charakterystyczny dźwięk o częstotliwości około setek herców.
Zespół fizyków z Austrii i Niemiec, kierowany przez Maxa Kocha z Uniwersytetu w Getyndze, odkrył, że otwarcie butelki piwa z zakrętką typu „flip-top” powoduje powstanie fali stojącej w szyjce naczynia, która pobrzmiewa przez 70 milisekund i nadaje dźwiękowi charakterystyczną tonację. Aby to osiągnąć, naukowcy wykorzystali domowej roboty piwo imbirowe, kamerę rejestrującą z częstotliwością od 8000 do 16 800 klatek na sekundę oraz sprzęt do rejestracji dźwięku, który pozwolił im uzyskać widma z rozdzielczością 25 herców po transformacji Fouriera.
Fizycy przeanalizowali uzyskane dane i podzielili otwieranie butelki na cztery etapy: pierwszy to uwolnienie gazu za pomocą fali uderzeniowej, odbicie tej fali i kondensacja pary wodnej; drugi to utworzenie rezonującej kolumny gazu i kondensatu w szyjce butelki; trzeci to uwolnienie rozpuszczonego dwutlenku węgla z cieczy; czwarty to rozpryskiwanie cieczy na skutek podnoszenia się granicy gaz-ciecz.
W drugim etapie kolumna gazu w szyjce butelki oscylowała w górę i w dół z dużą amplitudą przez 70-100 milisekund – było to źródło głównego sygnału akustycznego. Widmo samego dźwięku miało pojedynczy silny pik o częstotliwości od 640 do 870 herców (w zależności od wypełnienia butelki: od najmniejszej do największej objętości cieczy w naczyniu), co wskazywało na sinusoidalny sygnał odbierany przez mikrofon. Jednakże naddźwiękowa prędkość procesu pozostawała wątpliwa, ponieważ czoło kondensatu pojawiało się z prędkością 50-150 metrów na sekundę. Jest to mniej niż prędkość dźwięku w powietrzu (około 330 metrów na sekundę w normalnych warunkach), ale autorzy badania zauważyli, że lokalnie przepływy mogły nadal przekraczać granicę naddźwiękową.
Naukowcy przeprowadzili numeryczną symulację procesu odkorkowywania butelki, zakładając, że ulatniający się gaz jest adiabatyczny, nielepki i nieważki. Fizycy założyli, że proces jest adiabatyczny ze względu na jego krótki czas trwania, a także zignorowali wpływ grawitacji, ponieważ liczba Froude'a w eksperymencie wynosiła około 635 jednostek (w związku z tym składnik grawitacyjny w równaniu Naviera-Stokesa był pomijalny). Ostatecznie symulacje ściśle odpowiadały danym eksperymentalnym. Co więcej, autorzy artykułu rozważyli model rezonatora Helmholtza, który również dostarczył dobrego opisu teoretycznego obserwowanego rezonansu.
Naukowcy podkreślili, że ich badanie jako pierwsze obaliło powszechne przekonanie o naturze dźwięku otwieranego szampana lub piwa, ale wciąż pozostaje kilka pytań bez odpowiedzi. Na przykład, co dzieje się w pierwszych milisekundach otwierania butelki, czego nie udało się zarejestrować z wystarczającą rozdzielczością ani kamerą, ani mikrofonem.
Fizycy kochają nie tylko piwo i szampana, ale również inne napoje gazowane: wcześniej pisaliśmy o tym, jak naukowcy obwiniają surfaktanty za powstawanie łańcuchów bąbelków.
