Фізики розібралися, як саме виходить характерний звук при відкритті пляшки пива з пробкою бугеля, який слідує відразу за бавовною. З'ясувалося, що основним джерелом став газовий стовп, що коливається, у пляшковому шийці. Таких висновків дійшли вчені, коли проаналізували високошвидкісні відео та аудіозаписи, отримані при відкорковуванні пляшки. Автори роботи також порівняли результати дослідів із чисельними розрахунками та моделлю резонатора Гельмгольця, отримавши практично повний збіг з експериментом. Дослідження опубліковано в Physics of Fluids.
На сьогоднішній день фізики вивчили пиво з різних і несподіваних сторін: порахували кількість бульбашок у посудині, розібралися зі стабільністю піни при розливі «знизу-вгору» і навіть досліджували арахіс, що танцював у келиху. Вся справа в тому, що з точки зору гідродинаміки це дуже цікава рідина: вона знаходиться в пляшці або банку під тиском і до того ж містить розчинений вуглекислий газ.
Наприклад, вже відомо, як спливає газ при відкритті пляшки: коли тиск у посудині перевищує тиск навколишнього середовища в 1,83 рази, потік газу, що виходить, досягає швидкості звуку, стаючи недорозширеним струменевим потоком. Хоча фізики вже змоделювали відкорковування шампанського і навіть побачили алмази Маха під час своїх експериментів, ніхто не вивчав звук, що видається пляшкою пива з бугельною пробкою (іноді її називають відкидною). При цьому йдеться не про саму бавовну, а про те, що слідує за ним — характерний тон частотою близько сотень герц.
Група фізиків з Австрії та Німеччини під керівництвом Макса Коха (Max Koch) з Геттінгенського університету з'ясувала, що при відкритті пляшки пива з відкидною пробкою в шийці судини виникає стояча хвиля, що реверберує протягом 70 мілісекунд і надає звуку характерної тональності. Для цього вчені використовували зварене в домашніх умовах імбирне пиво, камеру з частотою запису від 8 до 16,8 тисяч кадрів на секунду, а також звукозаписне обладнання, яке дозволило отримати спектри з роздільною здатністю 25 герц після перетворення Фур'є.
Фізики проаналізували отримані дані і розділили відкриття пляшки на чотири стадії: перша - вихід газу з ударною хвилею, переображення цієї хвилі та конденсація водяної пари; друга - утворення резонуючого газо-конденсатного стовпа в шийці пляшки; третя - виділення з рідини розчиненого вуглекислого газу; четверта — розбризкування рідини через те, що межа газу та рідини піднімається.
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.
