Wanneer je een fles champagne ontkurkt, treden er complexe supersonische verschijnselen op. Wetenschappers van de TU Wien hebben nu voor het eerst kunnen berekenen wat er precies gebeurt.

Het klinkt als een simpel, bekend alledaags fenomeen:er staat hoge druk in een champagnefles, de stop wordt naar buiten gedreven door het samengeperste gas in de fles en vliegt weg met een krachtige knal. Maar de natuurkunde hierachter is ingewikkeld.

Er zijn al experimenten met hogesnelheidscamera's uitgevoerd, maar een wiskundig-numerieke analyse ontbreekt. Dit gat is nu gedicht aan de TU Wien. Met behulp van complexe computersimulaties was het mogelijk om het gedrag van de stop en de gasstroom opnieuw te berekenen.

Daarbij werden verbazingwekkende verschijnselen ontdekt:er ontstaat een supersonische schokgolf en de gasstroom kan ruim anderhalf keer de snelheid van het geluid bereiken. De resultaten, die verschijnen op de pre-print server arXiv , zijn ook van belang voor andere toepassingen waarbij gasstromen rond ballistische raketten, projectielen of raketten betrokken zijn.

De schokgolf uit de fles

"De champagnekurk zelf vliegt met een relatief lage snelheid weg, met een snelheid van misschien wel 20 meter per seconde", zegt Lukas Wagner, de eerste auteur van het onderzoek, promovendus aan het Instituut voor Fluid Mechanics and Heat Transfer aan de TU Wien en doet ook onderzoek bij het particuliere Oostenrijkse Competentiecentrum voor Tribologie (AC2T).

"Het gas dat uit de fles stroomt, is echter veel sneller", zegt Wagner. "Hij haalt de kurk in, stroomt er langs en bereikt snelheden tot 400 meter per seconde."

Dat is sneller dan de geluidssnelheid. De gasstraal doorbreekt dus kort na het openen van de fles de geluidsbarrière – en dit gaat gepaard met een schokgolf. Normaal gesproken veranderen variabelen als druk en temperatuur in een gas continu:twee punten die dicht bij elkaar liggen, hebben ook ongeveer dezelfde luchtdruk. Maar als er een schokgolf plaatsvindt, liggen de zaken anders.

"Dan zijn er sprongen in deze variabelen, zogenaamde discontinuïteiten", zegt Bernhard Scheichl (TU Wenen &AC2T), de proefschriftbegeleider van Lukas Wagner. "Dan heeft de druk of snelheid vóór de schokgolf een heel andere waarde dan vlak erachter."

Dit punt in de gasstraal, waar de druk abrupt verandert, wordt ook wel de ‘Mach-schijf’ genoemd. "Zeer vergelijkbare verschijnselen zijn ook bekend bij supersonische vliegtuigen of raketten, waarbij de uitlaatstraal met hoge snelheid de motoren verlaat", legt Stefan Braun (TU Wien) uit, die op het oorspronkelijke idee voor het project kwam en de masterproef van de heer Wagner begeleidde. over het onderwerp. De Mach-schijf vormt zich eerst tussen de fles en de kurk en beweegt dan terug naar de flesopening.

Tijdelijk kouder dan de Noordpool

Niet alleen de gasdruk, maar ook de temperatuur verandert abrupt:"Als gas uitzet, wordt het koeler, zoals we dat kennen van spuitbussen", legt Lukas Wagner uit. Dit effect is zeer uitgesproken in de champagnefles:het gas kan op bepaalde punten afkoelen tot -130°C. Het kan zelfs gebeuren dat er uit de CO₂ kleine droogijskristallen ontstaan waardoor de mousserende wijn gaat borrelen.

“Dit effect is afhankelijk van de oorspronkelijke temperatuur van de mousserende wijn”, zegt Lukas Wagner. "Verschillende temperaturen leiden tot droogijskristallen van verschillende grootte, die het licht vervolgens op verschillende manieren verstrooien. Dit resulteert in rook met verschillende kleuren. In principe kun je de temperatuur van de mousserende wijn meten door alleen maar naar de kleur van de rook te kijken."

Het uitzetten van kurk en het knallen van schokgolven

"Het feit dat supersonische verschijnselen daadwerkelijk optreden wanneer een fles mousserende wijn knalt, was in eerste instantie allesbehalve duidelijk - je zou het niet noodzakelijkerwijs verwachten", zegt Bernhard Scheichl. "Maar onze simulaties laten zien dat dit heel natuurlijk voortkomt uit de vergelijkingen van de vloeistofmechanica, en onze resultaten komen heel goed overeen met de experimenten."

De hoorbare knal bij het openen van de fles is een combinatie van verschillende effecten:ten eerste zet de kurk abrupt uit zodra deze de fles heeft verlaten, waardoor een drukgolf ontstaat, en ten tweede kun je de schokgolf horen, gegenereerd door het supersonische gas. jet – zeer vergelijkbaar met het bekende aero-akoestische fenomeen van de sonische dreun. Beiden zijn samen verantwoordelijk voor het karakteristieke geluid van het knallen van de champagnekurk. De uitzetting van de stop werd gemodelleerd op basis van de experimenten uitgevoerd door de heer Wagner bij AC2T.

De methoden die nu zijn ontwikkeld om de puzzels rond de fysica van het knallen van champagnekurken op te lossen, kunnen ook worden toegepast op andere verwante gebieden:van het afvuren van pistoolkogels tot het lanceren van raketten – in veel technisch belangrijke situaties heb je te maken met zeer solide stromingslichamen die op elkaar inwerken. sterk met een veel snellere gasstroom.

Meer informatie: Lukas Wagner et al., Het openen van een champagnefles simuleren, arXiv (2023). DOI:10.48550/arxiv.2312.12271

Journaalinformatie: arXiv

Aangeboden door de Technische Universiteit van Wenen