När du tar upp en flaska champagne uppstår komplexa överljudsfenomen. Forskare vid TU Wien har nu kunnat beräkna exakt vad som händer för första gången.
Det låter som ett enkelt, välkänt vardagsfenomen:det är högt tryck i en champagneflaska, proppen drivs utåt av den komprimerade gasen i flaskan och flyger iväg med en kraftig pop. Men fysiken bakom detta är komplicerad.
Experiment med höghastighetskameror har redan genomförts, men en matematisk-numerisk analys har saknats. Denna lucka har nu täppts till vid TU Wien. Med hjälp av komplexa datorsimuleringar var det möjligt att räkna om proppens och gasflödets beteende.
I processen upptäcktes häpnadsväckande fenomen:en överljudschockvåg bildas och gasflödet kan nå mer än en och en halv gånger ljudets hastighet. Resultaten, som visas på förtrycksservern arXiv , är också viktiga för andra tillämpningar som involverar gasflöden runt ballistiska missiler, projektiler eller raketer.
"Själva champagnekorken flyger iväg med en jämförelsevis låg hastighet och når kanske 20 meter per sekund", säger Lukas Wagner, studiens första författare, som är doktorand vid Institute of Fluid Mechanics and Heat Transfer vid TU Wien och bedriver även forskning vid det privata Austrian Competence Center for Tribology (AC2T).
– Gasen som rinner ut ur flaskan är dock mycket snabbare, säger Wagner. "Den kör om korken, rinner förbi den och når hastigheter på upp till 400 meter per sekund."
Det är snabbare än ljudets hastighet. Gasstrålen bryter därför ljudbarriären strax efter att flaskan öppnats — och detta åtföljs av en stötvåg. Normalt förändras variabler som tryck och temperatur i en gas kontinuerligt:två punkter som ligger nära varandra har också ungefär samma lufttryck. Men när en chockvåg uppstår är saker och ting annorlunda.
"Sedan blir det hopp i de här variablerna, så kallade diskontinuiteter", säger Bernhard Scheichl (TU Wien &AC2T), Lukas Wagners avhandlingshandledare. "Då har trycket eller hastigheten framför stötvågen ett helt annat värde än precis bakom."
Denna punkt i gasstrålen, där trycket ändras abrupt, är också känd som "Mach-skivan". "Mycket liknande fenomen är också kända från överljudsflygplan eller raketer, där avgasstrålen lämnar motorerna i hög hastighet", förklarar Stefan Braun (TU Wien), som kom på den ursprungliga idén till projektet och handlede Wagners masteruppsats. om ämnet. Mach-skivan bildas först mellan flaskan och korken och rör sig sedan tillbaka mot flasköppningen.
Inte bara gastrycket, utan även temperaturen ändras abrupt:"När gas expanderar blir den svalare, som vi vet från sprayburkar", förklarar Lukas Wagner. Denna effekt är mycket uttalad i champagneflaskan:gasen kan svalna till -130°C vid vissa punkter. Det kan till och med hända att små torriskristaller bildas av CO2 som får det mousserande vinet att bubbla.
"Denna effekt beror på den ursprungliga temperaturen på det mousserande vinet", säger Lukas Wagner. "Olika temperaturer leder till torriskristaller av olika storlek, som sedan sprider ljuset på olika sätt. Det resulterar i rök i olika färger. I princip kan man mäta temperaturen på det mousserande vinet genom att bara titta på rökens färg."
"Det faktum att överljudsfenomen faktiskt uppstår när en flaska mousserande vin poppar var allt annat än tydligt till en början - du skulle inte nödvändigtvis förvänta dig det", säger Bernhard Scheichl. "Men våra simuleringar visar att detta uppstår ganska naturligt från vätskemekanikens ekvationer, och våra resultat stämmer mycket väl överens med experimenten."
Det hörbara popet när flaskan öppnas är en kombination av olika effekter:För det första expanderar korken abrupt så fort den har lämnat flaskan, vilket skapar en tryckvåg, och för det andra kan du höra stötvågen som genereras av den överljudsgasen. jet — mycket likt det välkända aeroakustiska fenomenet ljudboomen. Båda tillsammans är ansvariga för det karakteristiska ljudet av champagnekorken som poppar. Expansionen av proppen modellerades baserat på experimenten utförda av Mr. Wagner vid AC2T.
Metoderna som nu har utvecklats för att lösa pussel kring champagnekorkpoppningens fysik kan även tillämpas på andra relaterade områden:Från att avfyra pistolkulor till att avfyra raketer – i många tekniskt viktiga situationer har du att göra med mycket solida flödeskroppar som samverkar starkt med ett mycket snabbare gasflöde.
Mer information: Lukas Wagner et al, Simulering av öppningen av en champagneflaska, arXiv (2023). DOI:10.48550/arxiv.2312.12271
Journalinformation: arXiv
Tillhandahålls av Wiens tekniska universitet
