Cuando se descorcha una botella de champán se producen complejos fenómenos supersónicos. Los científicos de TU Wien han podido calcular exactamente lo que sucede por primera vez.
Suena como un fenómeno cotidiano sencillo y conocido:en una botella de champán hay mucha presión, el tapón es empujado hacia afuera por el gas comprimido de la botella y sale volando con un fuerte estallido. Pero la física detrás de esto es complicada.
Ya se han realizado experimentos con cámaras de alta velocidad, pero falta un análisis matemático-numérico. Esta brecha ya se ha cerrado en la Universidad Técnica de Viena. Mediante complejas simulaciones por ordenador, fue posible recalcular el comportamiento del tapón y el flujo de gas.
En el proceso se descubrieron fenómenos sorprendentes:se forma una onda de choque supersónica y el flujo de gas puede alcanzar más de una vez y media la velocidad del sonido. Los resultados, que aparecen en el servidor de preimpresión arXiv , también son importantes para otras aplicaciones que involucran flujos de gas alrededor de misiles balísticos, proyectiles o cohetes.
"El corcho de champán sale volando a una velocidad comparativamente baja, alcanzando quizás los 20 metros por segundo", afirma Lukas Wagner, el primer autor del estudio, estudiante de doctorado en el Instituto de Mecánica de Fluidos y Transferencia de Calor de la TU Wien y También realiza investigaciones en el Centro de Competencia de Tribología (AC2T), privado de Austria.
"Sin embargo, el gas que sale de la botella es mucho más rápido", afirma Wagner. "Alcanza al corcho, pasa a su lado y alcanza una velocidad de hasta 400 metros por segundo."
Eso es más rápido que la velocidad del sonido. Así, el chorro de gas rompe la barrera del sonido poco después de abrir la botella, lo que va acompañado de una onda de choque. Normalmente, variables como la presión y la temperatura en un gas cambian continuamente:dos puntos que están cerca uno del otro también tienen aproximadamente la misma presión de aire. Pero cuando ocurre una onda de choque, las cosas son diferentes.
"Luego se producen saltos en estas variables, las llamadas discontinuidades", afirma Bernhard Scheichl (TU Viena &AC2T), director de tesis de Lukas Wagner. "Entonces la presión o la velocidad delante de la onda de choque tienen un valor completamente diferente que justo detrás de ella."
Este punto del chorro de gas, donde la presión cambia bruscamente, también se conoce como "disco de Mach". "Se conocen fenómenos muy similares en aviones supersónicos o cohetes, en los que el chorro de escape sale a gran velocidad de los motores", explica Stefan Braun (TU Wien), a quien se le ocurrió la idea original del proyecto y supervisó la tesis de maestría del Sr. Wagner. sobre el tema. El disco Mach primero se forma entre la botella y el corcho y luego regresa hacia la abertura de la botella.
No sólo cambia bruscamente la presión del gas, sino también la temperatura:"Cuando el gas se expande, se enfría, como sabemos por los aerosoles", explica Lukas Wagner. Este efecto es muy pronunciado en la botella de champán:el gas puede enfriarse hasta -130°C en determinados puntos. Incluso puede ocurrir que a partir del CO2 se formen pequeños cristales de hielo seco. eso hace que el vino espumoso burbujee.
"Este efecto depende de la temperatura original del vino espumoso", afirma Lukas Wagner. "Las diferentes temperaturas producen cristales de hielo seco de diferentes tamaños, que luego dispersan la luz de diferentes maneras. Esto da como resultado un humo de distintos colores. En principio, la temperatura del vino espumoso se puede medir simplemente mirando el color del humo".
"El hecho de que en realidad se produzcan fenómenos supersónicos cuando se revienta una botella de vino espumoso no estaba nada claro al principio; no es de esperarse necesariamente", dice Bernhard Scheichl. "Pero nuestras simulaciones muestran que esto surge de forma bastante natural a partir de las ecuaciones de la mecánica de fluidos, y nuestros resultados concuerdan muy bien con los experimentos."
El chasquido audible al abrir la botella es una combinación de diferentes efectos:por un lado, el corcho se expande bruscamente al salir de la botella, creando una onda de presión, y por otro, se puede escuchar la onda de choque generada por el gas supersónico. jet—muy similar al conocido fenómeno aeroacústico del boom sónico. Ambos juntos son responsables del sonido característico del estallido del corcho del champán. La expansión del tapón se modeló basándose en los experimentos realizados por el Sr. Wagner en AC2T.
Los métodos que ahora se han desarrollado para resolver los enigmas que rodean la física del descorche de champán también se pueden aplicar a otras áreas relacionadas:desde disparar balas de pistola hasta lanzar cohetes; en muchas situaciones técnicamente importantes se trata de cuerpos de flujo muy sólidos que interactúan entre sí. fuertemente con un flujo de gas mucho más rápido.
Más información: Lukas Wagner et al, Simulando la apertura de una botella de champán, arXiv (2023). DOI:10.48550/arxiv.2312.12271
Información de la revista: arXiv
Proporcionado por la Universidad Tecnológica de Viena
