Quando si stappa una bottiglia di champagne si verificano complessi fenomeni supersonici. Gli scienziati della TU Wien sono stati ora in grado di calcolare esattamente cosa succede per la prima volta.
Sembra un fenomeno quotidiano semplice e ben noto:in una bottiglia di champagne c'è alta pressione, il tappo viene spinto verso l'esterno dal gas compresso nella bottiglia e vola via con un potente schiocco. Ma la fisica dietro tutto questo è complicata.
Sono già stati effettuati esperimenti con telecamere ad alta velocità, ma manca un'analisi matematico-numerica. Questa lacuna è stata ora colmata alla TU Wien. Utilizzando complesse simulazioni al computer è stato possibile ricalcolare il comportamento del tappo e del flusso di gas.
Durante questo processo sono stati scoperti fenomeni sorprendenti:si forma un'onda d'urto supersonica e il flusso di gas può raggiungere una velocità pari a più di una volta e mezza la velocità del suono. I risultati, che appaiono sul server di prestampa arXiv , sono importanti anche per altre applicazioni che coinvolgono flussi di gas attorno a missili balistici, proiettili o razzi.
"Il tappo dello champagne vola via a una velocità relativamente bassa, raggiungendo forse i 20 metri al secondo", afferma Lukas Wagner, il primo autore dello studio, dottorando presso l'Istituto di meccanica dei fluidi e trasferimento di calore della TU Wien. conduce anche ricerche presso il Centro di competenza privato austriaco per la tribologia (AC2T).
"Tuttavia, il gas che esce dalla bottiglia è molto più veloce", afferma Wagner. "Supera il tappo, lo supera e raggiunge una velocità fino a 400 metri al secondo."
È più veloce della velocità del suono. Il getto di gas rompe quindi la barriera del suono subito dopo l'apertura della bottiglia, accompagnato da un'onda d'urto. Normalmente, variabili come la pressione e la temperatura in un gas cambiano continuamente:anche due punti vicini tra loro hanno all'incirca la stessa pressione atmosferica. Ma quando si verifica un'onda d'urto, le cose cambiano.
"Poi ci sono dei salti in queste variabili, le cosiddette discontinuità", afferma Bernhard Scheichl (TU Vienna &AC2T), relatore della tesi di Lukas Wagner. "Allora la pressione o la velocità davanti all'onda d'urto hanno un valore completamente diverso rispetto a quello dietro."
Questo punto nel getto di gas, dove la pressione cambia bruscamente, è noto anche come "disco di Mach". "Fenomeni molto simili sono noti anche negli aerei supersonici o nei razzi, dove il getto di scarico esce dai motori ad alta velocità", spiega Stefan Braun (TU Wien), che ha avuto l'idea originale del progetto e ha supervisionato la tesi di master del signor Wagner a questo proposito. Il disco Mach si forma prima tra la bottiglia e il tappo e poi ritorna verso l'apertura della bottiglia.
Non solo la pressione del gas, ma anche la temperatura cambia bruscamente:"Quando il gas si espande, diventa più freddo, come sappiamo dalle bombolette spray", spiega Lukas Wagner. Questo effetto è molto pronunciato nella bottiglia di champagne:il gas può raffreddarsi fino a -130°C in certi punti. Può anche succedere che dalla CO2 si formino minuscoli cristalli di ghiaccio secco che fa bollire lo spumante.
"Questo effetto dipende dalla temperatura originale dello spumante", afferma Lukas Wagner. "Temperature diverse danno origine a cristalli di ghiaccio secco di diverse dimensioni, che poi diffondono la luce in modi diversi. Il risultato è un fumo di vari colori. In linea di principio, puoi misurare la temperatura dello spumante semplicemente osservando il colore del fumo."
"Che i fenomeni supersonici si verifichino effettivamente quando scoppia una bottiglia di spumante era tutt'altro che chiaro all'inizio, non necessariamente te lo aspetteresti", dice Bernhard Scheichl. "Ma le nostre simulazioni mostrano che ciò deriva in modo del tutto naturale dalle equazioni della meccanica dei fluidi, e i nostri risultati concordano molto bene con gli esperimenti."
Lo schiocco udibile all'apertura della bottiglia è una combinazione di diversi effetti:in primo luogo, il tappo si espande bruscamente non appena lascia la bottiglia, creando un'onda di pressione, e in secondo luogo, si può sentire l'onda d'urto, generata dal gas supersonico getto, molto simile al noto fenomeno aeroacustico del boom sonico. Entrambi insieme sono responsabili del caratteristico suono dello scoppio del tappo dello champagne. L'espansione del tappo è stata modellata sulla base degli esperimenti condotti dal Sig. Wagner presso AC2T.
I metodi che sono stati ora sviluppati per risolvere gli enigmi che circondano la fisica dello stappamento del tappo dello champagne possono essere applicati anche ad altre aree correlate:dallo sparo di proiettili di pistola al lancio di razzi:in molte situazioni tecnicamente importanti hai a che fare con corpi di flusso molto solidi che interagiscono fortemente con un flusso di gas molto più veloce.
Ulteriori informazioni: Lukas Wagner et al, Simulazione dell'apertura di una bottiglia di champagne, arXiv (2023). DOI:10.48550/arxiv.2312.12271
Informazioni sul giornale: arXiv
Fornito dall'Università della Tecnologia di Vienna
