Jesteś tutaj

Piwny wytrysk kawitacyjny

  • kawitacyjna implozja w piwie
    Kawitacyjna implozja w piwie i jej efekty zarejestrowane podczas fiztaszkowych eksperymentów na Piwiarni Naukowej. (fot. Patryk Spytkowski)

Pewnie nie raz na imprezie uczesniczyliście w powszechnym "dowcipie piwnym", polegającym na uderzeniu z góry otwartą butelką w drugą taką samą. Efekt dowcipu jest niestety opłakany, prawie całe piwko gwałtownie pieni się i wytryskuje z butelki. Po takim ciosie w zasadzie nic nie jest w stanie uratować ochoczo tryskającego płynu. Nawet rozpaczliwa próba łapania fontanny w usta na niewiele się zda. W najlepszym wypadku możemy użyć kciuka, aby strumień skierować na dowcipnisia i choć tak pomścić stratę.

Fizykom na myśl przychodzi od razu pytanie: dlaczego tak się dzieje, dlaczego gaz zgromadzony w piwie powoduje tak burzliwą reakcję? O ile możemy jakoś wytłumaczyć to sobie nagłym wstrząsem, trudno zrozumieć, dlaczego ten wstrząs dotyka tylko dolną butelkę, zaś górną pozostawiając prawie nienaruszoną?

Zmieńmy piwo w wodę

Odstawmy na chwilę piwo, by przeanalizować prostszą sytuację, która rzuci nieco światła na tę zagadkę. Interesujące rzeczy dzieją się przecież tylko w dolnej butelce, przyjrzyjmy się jej bliżej. Ażeby nie marnować piwa, użyjmy czystej wody, która jest przecież głównym składnikiem piwa.

Kluczowe jest uderzenie, zwróćmy zatem uwagę co dzieję się z butelką i słupem wody wewnątrz, właśnie w tym momencie. Nagle pchnięta w dół butelka doznaje dużego przyspieszenia, znacznie przewyższjącego ziemskie. A co dzieje się w tym momencie ze słupem cieczy? Nie jest on przecież silnie związany ze szkłem, butelka nie jest w stanie "pociągnąć" ciecz w dół. Ta opada zatem swobodnie. Można powiedzieć, że z punktu widzenia butelki, woda niejako stara się oderwać od dna. Konsekwencją tego jest nagły, lokalny  spadek ciśnienia w dolnej części butelki.

Z lekcji fizyki, lub z innych fiztaszków, wiemy zaś, że temperatura wrzenia wody zmienia się w zależności od ciśnienia. Możemy wyobrazić sobie taką sytuację, że gdy ciśnienie będzie odpowiednio niskie, woda zacznie wrzeć w temperaturze pokojowej. Zaglądając do mądrych prac naukowych, dowiemy się, że taka sytuacja możliwa jest przy ciśnieniach rzędu kilku Pascali (około 100 tysięcy razy mniej niż ciśnienie atmosferyczne). Zjawisko takiego nagłego procesu wrzenia przy lokalnie obniżonym ciśnieniu cieczy nazywamy kawitacją. W wodzie powstają bąble kawitacyjne wypełnione parą. Same bąble, nie są bardzo groźne, ale zauważmy, że mamy do czynienia z procesem bardzo szybkim. Po ułamkach sekund wszystko się stabilizuje, ciśnienie wraca do normy i para wodna nie ma prawa istnieć w takich warunkach. Co się zatem dzieje? Bąble kawitacyjne zapadają się gwałtowanie, czyli implodują, powodując powstanie fali uderzeniowej, która może okazać się destrukcyjna dla butelki. Taki scenariusz potwierdzają liczne eksperymenty. Świetnie widać to w zwolnionym tempie na nagraniu szybką kamerą. W momencie uderzenia, kiedy butelka zaczyna szybko opadać, przy dnie powstają małe, liczne bąble, które bardzo szybko znikają. Po implozji bąbli kawitacyjnych często następują pęknięcia butelki na skutek powstałej fali uderzeniowej. Popatrzmy.

 

 

Woda i piwo się nieco różnią

Jak to wszystko ma się do naszego piwa? Jak pewnie zauważyliście, główna różnica między butelką z wodą a butelką z piwem polega na tym, że to drugie jest gazowane. Zatem bąble kawitacyjne nie zapadną się gwałtownie i nie wytworzą fali uderzeniowej, ponieważ natychmiast zostaną wypełnione dwutlenkiem węgla rozpuszczonym w piwie. A co się dzieje dalej, kiedy przy dnie butelki nagle pojawi się duża ilość gazu, to już dobrze wiemy...

Okazalo się, że za wzburzeniem piwa stoi bardziej subtelny efekt fizyczny niż zwyłe "wstrząśnięcie". Samo uderzenie nie jest bezpośrednią przyczyną wytrysku piwa, istotne jest jakiego przyspieszenia dozna butelka pod jego wpływem. Teraz możemy zrozumieć, dlaczego górne piwo dowcipnisia pozostaje nietknięte. Jego butelka również doznaje przyspieszenia, ale o przeciwnym zwrocie, gwałtownie hamuje. Piwo zatem napiera na dno, co może jedynie wywołać lokalny wzrost ciśnienia, ale to nie prowadzi do tak dramatycznych skutków.

Nasz wkład w badania nad kawitacją w piwie

Przy okazji odsyłam Was do występów moich i Michała, zarejestrowanych podczas Szortow Naukowych, gdzie w przerwach między wykładami prezentowaliśmy coś, co roboczo nazwaliśmy Piwiarnią Naukową. Zobaczycie tam nasz wkład w badania na tym efektem: różne warianty eksperymentów z piwem i innymi cieczami oraz ich skutki. Wspomniane prezentacje, z których pochodzą zdjęcia ilustrujące ten tekst,  możecie obejrzeć w dwóch video fiztaszkach:


Dla dociekliwych, lubiących zadania obliczeniowe, pozostawimy oszacowanie jak dużego przyspieszenia doznaje uderzona butelka. A eksperymentatorom polecamy użycie akcelerometrów do weryfikacji tych obliczeń.

Więcej do poczytania: 

  • Obrazek użytkownika piotrowski
    O autorze:

    Marcin Piotrowski

    Wydawca portalu fiztaszki.pl, webmaster, redaktor działu fresh science.
    Fiztaszki popija zawsze yerba mate. Mimo tego, że w pracy w laboratorium ma do czynienia z ekstremalnie niskimi temperaturami, nie przepada za terrere. Oprócz kuchennego eksperymentowania, zajmuje się fiztaszkowym webmasteringiem. Aktualnie bada czy fiztaszkowa fizyka działa tak samo w Australii.

Komentarze

Obrazek użytkownika zaciekawiony

A czy opisane zjawisko jakoś wpływa na mechanizm wybijania korka gdy stuknąć wino w dno dłonią?

Dodaj komentarz