To dość tradycyjny psikus spotykany w pubach – stuknięcie góry butelki piwa kolegi denkiem swojej butelki, co powoduje erupcję piany. Dla niektórych ludzi zabawne, dla innych irytujące. A dla jeszcze innych – intrygujące. Do takich osób zalicza się Javier Rodriguez-Rozdriguez – hiszpański fizyk.
Naukowiec pracujący na University Carlos III w Madrycie postanowił zbadać to zjawisko i odkrył, że szklanka piwa zawiera mnóstwo złożonej fizyki. Ta dawka informacji pomóc może nie tylko w wytłumaczeniu knajpowego żartu, ale także w zrozumieniu wszelkiego rodzaju innych procesów – od erupcji wulkanów do… powstawania asteroid.
– W szklance piwa rozgrywa się wiele różnych zjawisk fizycznych i za każdym razem, gdy pijesz piwo, cała ta fizyka jest na twoich oczach – mówi Rodriguez-Rodriguez.
Naukowiec tak zaangażował się w poznanie tego wycinka wiedzy, że namówił swoich doktorantów do zrzucenia piwa ze 100-metrowej wieży, aby zbadać powstawanie pęcherzyków w środowisku mikrograwitacji podczas swobodnego spadania.
– Napoje gazowane to przenośne laboratoria, które można wykorzystać w celu zabawnego zademonstrowania działania wielu sił, które można znaleźć w naturze i przemyśle – napisał wraz z współautorem Robertem Zenitem odnośnie odkrytych faktów na temat piwa do magazynu Physics Today.
Kluczem do wielu procesów zachodzących w piwie jest to, że jest ono nasycane dwutlenkiem węgla, a potocznie mówi się, że są to przesycone roztwory dwutlenku węgla. W trakcie warzenia piwa fermentacja przez drożdże emituje mikrocząstki dwutlenku węgla, zwiększając ciśnienie w butelce.
Część dwutlenku węgla rozpuszcza się w piwie – jak duży jest tego ułamek, określone jest przez prawo Henry’ego, które mówi, że im wyższe ciśnienie, tym więcej gazu zostaje rozpuszczone.
Kiedy otwieramy butelkę piwa, ciśnienie zostaje uwolnione, co oznacza, że ilość gazu, jaką ciecz może zatrzymać staje się niższa. Z tego powodu roztwór staje się przesycony. Ta sytuacja trwa chwilę. W ciągu kilku godzin dwutlenek węgla wycieka, aż do osiągnięcia nowego punktu równowagi, określany przez miłośników piwa jako “płaski”.
Szybkość, z jaką gaz wypływa, oraz dynamika, jaką on uruchamia, stanowią podstawę do wielu intrygujących zachowań piwa – na przykład właśnie wspomnianego żartu z uderzeniem w górę otwartej butelki.
Badanie Rodriguez-Rodrigueza zostało po raz pierwszy opublikowane na łamach Physical Review Letters i ujawniło, że wyzwalaczem wulkanu piwa jest fala ciśnieniowa przemykająca w górę przez ciecz.
Jak działa ten nagły wstrząs?
Na ściankach butelki efekt jest minimalny, jednak u podstawy butelki powstają znacznie większe konsekwencje – takie jak nagły spadek ciśnienia w cieczy znajdującej się na dnie. Ten obszar niskiego ciśnienia rozprzestrzenia się w górę, wyzwalając po drodze rozpuszczony w piwie dwutlenek węgla, tworząc nagłe bąbelki.
Następnie ciśnienie, które powstało, odbija się od ścianek butelki i zaczyna się piętrzyć. Powstające w ten sposób nawarstwienie się ciśnienia doprowadza do rozpadu pęcherzyków, które dopiero co zostały uwolnione. W trakcie badań odkryto, że każdy z nich pęka na około milion mniejszych bąbelków.
Wówczas te tworzące się chmury bąbelków zaczynają się unosić i rosną, zasysając po drodze więcej i więcej dwutlenku węgla. Dotarcie do szczytu i spienienie zajmuje sekundę, maksymalnie dwie.
Jakie ma to znaczenie dla nauki?
Wzrost tej chmury wynika z wyporu bąbelków. Skłoniło to naukowców do postawienia kolejnego pytania – co się stanie przy zerowej grawitacji?
Zamiast wysłać piwo w kosmos, postanowili zrzucić je z 100-metrowej wieży w Centrum Technologii i Mikrograwitacji Kosmicznej (ZARM) w Bremie (Niemcy).
Do rzeczywistego eksperymentu musieli znaleźć jednak płyn zastępczy. – Nie możemy używać piwa. Jest zbyt brudne – przyznał Rodriguez-Rodriguez.
Korzystając z wody gazowanej, zespół mógł obserwować ewolucję chmury bąbelkowej, która unosiła się w cieczy, rejestrując ten szybki proces na video.
Badania Rodriguez-Rodrigueza mają także znaczenie w kwestii nauki o formowaniu się ciał, takiej jak asteroidy i meteoryty w środowiskach o niskiej grawitacji. Wyniki są istotne zwłaszcza dla astronautów pijących piwo.
Wypór hydrostatyczny bąbelków pozwala gazowi z napoju unosić się z żołądka i zostać wydalonym, ale Rodriguez-Rodriguez zaznacza, że przy zerowej grawitacji taka sytuacja nie mogłaby zaistnieć.
– Pęcherzyki nie byłyby w stanie wydostać się z układu pokarmowego, co doprowadziłoby do bolesnego wzdęcia w żołądku i jelitach. Przykro mi, ale oznacza to brak szampana dla ludzi w kosmosie – piszą autorzy w swoim artykule.
Rodriguez-Rozdriguez przyznaje, że lubi wypić napój używany do eksperymentów, ale zaznacza, że nie robi tego z wykorzystaniem rządowych funduszy. Wytyczne związane z badaniami wykluczają wydatki na alkohol, więc całe piwo na eksperymenty kupuje z własnych środków.
– Postrzegam to jako Fundację Rodriguez-Rodriguez na rzecz rozwoju nauki – kończy w humorystyczny sposób autor badań.
Następnym razem, kiedy będziecie chcieli komuś zrobić “piwny” psikus, to będziecie mieli okazję obrócić to w naukowe doświadczenie. Nie zapomnijcie wspomnieć, gdzie się o tym dowiedzieliście 😉
Źródło: Cosmos Magazine