Тайна пенная: Циркуляция пива
Загадка пузырьков, которые в бокале ирландского пива Guinness не поднимаются к поверхности, а опускаются ко дну, поломала немало жизней. В самом деле, заполненные газом пузырьки явно легче жидкости, да и в других сортах пива они ведут себя вполне понятным образом. Однако факт остается фактом, что может проверить каждый пытливый исследователь в ближайшем баре: они действительно опускаются, а между тем пенная шапка на бокале растет! Завеса над этой тайной стала приоткрываться лишь в последние годы.
Сегодня известно, что такой эффект наблюдается, в общем-то, в любой жидкости: по краям поток направляется вниз, восходящий поток идет по центру. Насыщенный темный цвет Guinness делает пузырьки контрастно видимыми, а эффект — особенно эффектным. Впрочем, остается вопрос о том, почему циркуляция пива происходит именно таким образом.
И вот недавно команда вдохновленных исследователей из Ирландии, работающих под руководством профессора Уильяма Ли (William Lee) — в их числе и наш соотечественник Евгений Бенилов — описала происходящее в бокале со всей должно точностью. Они делают вывод, что ключевую роль в направлении потоков играет геометрия сосуда.
Вспомним, что в движении каждый пузырек испытывает трение со стороны окружающей жидкости. Авторы показали, что пузырьки, находящиеся ближе к центру сосуда, где их больше, будут испытывать большее трение, чем менее многочисленные пузырьки ближе к его стенке. Это и создает необходимые токи: в центре восходящие, по краям нисходящие. Отчего же в центре пузырьков больше, чем у стенок?
В идеальном случае они распределяются равномерно, и так было бы, если б мы использовали в качестве бокала ровный цилиндр: пузырьки будут дружно всплывать к поверхности. Но в пивном бокале, более узком внизу и расширяющимся кверху, расположенные ближе к центру пузырьки поднимаются с большего объема жидкости, нежели по краям, где число их оказывается меньшим.
Все это, как показало математическое моделирование, и создает характерные паттерны циркуляции пива в бокале. Этот эффект знаком и нефтедобытчикам, и медикам: у первых он приводит к потере циркуляции раствора в наклонных стволах, а вторые используют его, наклоняя пробирки с пробами крови и тем самым замедляя осаждение эритроцитов.
Авторы работы, хотя и математики, провели опыт и самостоятельно подтвердили свои выкладки. Экспериментировать с Guinness в Ирландии — пожалуй, не худший из научных проектов.
По публикации MIT Technology Review / Physics arXiv Blog