El análisis a nivel de microsegundos de lo que pasa cuando descorchamos una botella de champán ha revelado cómo despega un cohete espacial, cómo evoluciona una bala recién disparada y cómo se desarrolla una explosión de pólvora.
Físicos de Francia y La India han simulado los procesos que ocurren cuando abrimos una botella de champán. Los resultados de este trabajo pueden ayudar a comprender mejor qué sucede cuando despegan cohetes o se disparan armas de fuego. El estudio se publica en Physics of Fluids.
Un tipo de vino espumoso que se denomina champán es perfecto para resaltar la solemnidad de cualquier evento. Gracias a un exceso de dióxido de carbono, la apertura de la botella se acompaña de una fuente de espuma (que, sin embargo, se puede evitar), mientras el vaso se decora con un bizarro juego de burbujas.
Interacciones físicas
Todo lo anterior sería imposible sin las complejas interacciones físicas y químicas que están bajo el interés de los científicos. Así, la fermentación en botella es responsable de la formación de dióxido de carbono en el champán, que se ve facilitada por la adición de levadura y azúcar.
Este gas se disuelve parcialmente en el vino, estando relacionada su concentración con la temperatura y presión parcial del resto. Por este motivo, la velocidad de salida del corcho depende en gran medida de la temperatura de la botella.
También es interesante la física de la mezcla de gases, que consiste principalmente en dióxido de carbono y vapor de agua, que sale de la botella cuando se destapa el corcho.
Chorros supersónicos
Un estudio que utilizó imágenes de alta velocidad para ver lo que ocurre cuando descorchamos una botella de champán, mostró que los chorros de gas se propagan en modo supersónico, después de lo cual experimentan un enfriamiento adiabático (sin intercambio de calor con su entorno) que incluso puede conducir a la cristalización del agua.
La interacción de los chorros supersónicos con la atmósfera circundante da lugar a la formación de ondas de choque de organización compleja. En este caso, a menudo se observan unas estructuras periódicas en el chorro, causadas por el proceso repetido de su compresión y expansión.
Esto hace que abrir el champán redordemos el ruido del motor de un cohete, así como de volcanes en erupción y de géiseres. En el caso del corcho, sin embargo, la tarea de descripción se complica por la fuerte no estacionariedad de todo el proceso, así como por la movilidad del tapón, que cambia a lo largo del canal en el que se propaga el chorro.
Simulación
Para comprender con más detalle lo que le sucede al gas cuando se abre una botella de champán, un grupo de físicos de India y Francia, con la participación de Gérard Liger-Belair, de la Universidad de Champagne - Ardenne, simuló este proceso utilizando dinámica de fluidos computacional.
El área de cálculo inicial constaba de dos espacios separados entre sí por las paredes de la botella y el corcho. La parte exterior correspondía a las condiciones de la habitación, la parte interior correspondía al espacio gaseoso entre el vino y el corcho, con un volumen de 35 centímetros cúbicos lleno de dióxido de carbono.
Los autores transfirieron con precisión el perfil de una botella real al modelo y eligieron la temperatura y la presión del dióxido de carbono igual a 20 grados centígrados y 7,5 bar, de modo que la simulación fuera consistente con los experimentos anteriores. Una serie de fotogramas indicaron el tiempo transcurrido en microsegundos después del inicio de la apertura de la botella virtual.
Para sus cálculos, los físicos consideraron que el corcho se movía a una velocidad constante, igual a 18,6 metros por segundo, así como la elasticidad del corcho, que le otorga característica de hongo después de la salida. El cálculo del modelo se simplificó por la simetría axial (alrededor de un eje) que presenta una botella cuando se coloca verticalmente.
Tres etapas
Al observar los resultados de la simulación, los científicos identificaron tres etapas en los procesos de destapar una botella de champán.
En la primera etapa, que dura unos 600 microsegundos, la mezcla de gases es bloqueada parcialmente por el corcho, impidiendo que el champán expulsado alcance la velocidad del sonido.
Pero a medida que el corcho se libera, la mezcla de gases escapa radialmente a una velocidad supersónica, equilibrando su presión a través de una sucesión de ondas de choque normales y oblicuas.
En la segunda etapa (600 - 1000 microsegundos), los gases a alta presión, formados por burbujas, son inicialmente bloqueados por el corcho, pero finalmente escapan de la botella a una velocidad supersónica, provocando pequeños estampidos sónicos.
Aplicaciones más allá del champán
Finalmente, después de un milisegundo, la presión en la botella cae demasiado para que el chorro viaje más rápido que el sonido. Entonces podemos servir el champán en la copa.
Los autores señalan que la resistencia ejercida por el corcho sobre el chorro, durante todo el proceso, también se encuentra en la interacción de la corriente en chorro y el suelo que ha sido observada, más allá de en el descorche de una botella de champán, tanto durante el despegue de un cohete espacial, como en la interacción de una bala recién disparada con el entorno, así como en los gases de una explosión de pólvora.
Por ello, este descubrimiento permitirá aplicar sus resultados mucho más allá de la física de abrir el champán, en aplicaciones que van desde lanzacohetes, misiles balísticos y turbinas eólicas, hasta la fabricación de productos electrónicos y vehículos submarinos, según los investigadores.
Referencia
Computational Fluid Dynamic simulation of the supersonic CO2 flow during champagne cork popping. Abdessamad Benidar et al. Physics of Fluids (in press) (2022). DOI:https://doi.org/10.1063/5.0089774
