Fizycy odkryli, jak powstaje charakterystyczny dźwięk otwierania butelki piwa korkociągiem, który następuje bezpośrednio po trzasku. Okazało się, że głównym źródłem dźwięku jest oscylująca kolumna gazu w szyjce butelki. Naukowcy doszli do tych wniosków, analizując nagrania wideo i audio z dużą prędkością, uzyskane podczas odkorkowywania butelki. Autorzy pracy porównali również wyniki eksperymentów z licznymi obliczeniami i modelem rezonatora Helmholtza, uzyskując niemal całkowitą zgodność z eksperymentem. Badania zostały opublikowane w czasopiśmie „Physics of Fluids”.
Do tej pory fizycy badali piwo z najróżniejszych i najbardziej nieoczekiwanych perspektyw: liczyli liczbę bąbelków w naczyniu, badali stabilność piany przy nalewaniu „od dołu do góry”, a nawet badali tańczące w szklance orzeszki ziemne. Chodzi o to, że z punktu widzenia hydrodynamiki jest to bardzo interesująca ciecz: znajduje się w butelce lub puszce pod ciśnieniem i zawiera również rozpuszczony dwutlenek węgla.
Na przykład, wiadomo już, jak gaz wypływa po otwarciu butelki: gdy ciśnienie w naczyniu przekroczy ciśnienie otoczenia 1,83-krotnie, wypływający strumień gazu osiąga prędkość dźwięku, stając się niedorozprężonym strumieniem strumieniowym. Chociaż fizycy modelowali już odkorkowanie szampana, a nawet widzieli diamenty Macha podczas swoich eksperymentów, nikt nie badał dźwięku wydawanego przez otwieranie butelki piwa za pomocą korkociągu (czasami nazywanego zakrętką z klapką). Nie chodzi tu jednak o sam odgłos trzasku, ale o to, co po nim następuje – charakterystyczny dźwięk o częstotliwości około setek herców.
Grupa fizyków z Austrii i Niemiec pod kierownictwem Maxa Kocha (Max Koch) z Uniwersytetu w Getyndze odkryła, że po otwarciu butelki piwa z korkiem typu „flip-top” w szyjce naczynia powstaje fala stojąca, która rozchodzi się przez 70 milisekund i nadaje dźwiękowi charakterystyczną tonację. W tym celu naukowcy wykorzystali domowe piwo imbirowe, kamerę o częstotliwości nagrywania od 8 do 16,8 tysięcy klatek na sekundę oraz sprzęt do rejestracji dźwięku, który umożliwiał uzyskanie widm o rozdzielczości 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 rezonansowej kolumny gazowo-skroplinowej w szyjce butelki; trzeci — uwolnienie rozpuszczonego dwutlenku węgla z cieczy; czwarty — rozpryskiwanie cieczy z powodu podnoszenia się granicy między gazem a cieczą.
Podczas drugiego etapu kolumna gazu przy szyjce butelki oscylowała w górę i w dół z dużą amplitudą przez 70-100 milisekund - stało się to źródłem głównego sygnału akustycznego. Samo widmo dźwięku miało jeden silny pik o częstotliwości od 640 do 870 herców (w zależności od napełnienia butelki: od najmniejszej objętości cieczy w naczyniu do największej), co wskazywało na sinusoidalny kształt sygnału, który wchodził do mikrofonu. Jednocześnie naddźwiękowa prędkość procesu pozostawała wątpliwa, ponieważ prędkość, z jaką kondensat przednia część lewa wynosiła 50-150 metrów na sekundę. Jest to mniej niż prędkość dźwięku w powietrzu (około 330 metrów na sekundę w normalnych warunkach), jednak autorzy badania zauważyli, że lokalnie przepływy mogą nadal przekraczać granicę naddźwiękową.
Naukowcy wielokrotnie modelowali proces odkorkowywania butelki, przedstawiając wydostający się gaz jako adiabatyczny, nielepki i nieważki. Fizycy uznali ten proces za adiabatyczny ze względu na jego krótki czas trwania, a także nie uwzględnili wpływu grawitacji, ponieważ liczba Froude'a w eksperymencie wynosiła około 635 jednostek (odpowiednio, człon grawitacyjny w równaniu Naviera-Stokesa okazał się pomijalnie mały). W rezultacie modelowanie bardzo dokładnie pokrywało się z danymi eksperymentalnymi. Ponadto autorzy artykułu uwzględnili model rezonatora Helmholtza, który również dobrze opisywał obserwowany rezonans z teoretycznego punktu widzenia.
Naukowcy podkreślili, że ich badanie jako pierwsze obaliło powszechną opinię na temat natury dźwięku otwierania szampana lub piwa, ale jednocześnie wciąż pozostaje kilka nierozwiązanych kwestii. Na przykład, co dzieje się w pierwszych milisekundach otwierania naczynia, czego nie udało się zarejestrować z wystarczającą rozdzielczością ani za pomocą kamery, ani mikrofonu.
Fizycy uwielbiają nie tylko piwo i szampana, ale również inne napoje gazowane: wcześniej pisaliśmy o tym, jak naukowcy przypisali odpowiedzialność za łańcuchy bąbelków substancjom powierzchniowo czynnym.
