Занимательная наука, часть шестая
Так вот об этом знаменитом пиве. О нем есть несколько "городских легенд", среди которых, в частности, утверждение о том, что пена настоящего гиннеса столь прочна, что должна выдерживать на себе вес пенсовой монетки (лично много раз пробовал - ни разу не получалось - так что точно миф).А вот другое утверждение, еще более парадоксальное, на самом деле правда (в чем можно убедиться сегодня своими глазами в любом ирландском пабе). Речь идет о том, что пузырьки в бокале гиннеса не поднимаются наверх, а опускаются вниз! Подчеркиваю, это не миф, не оптический обман, а реальный эмпирический факт.
Разумеется, все мы имеем хотя бы начальные познания в физике, закон Архимеда представляют себе все и соответственно - это кажется невозможным, парадоксом, чтобы пузырьки (которые конечно же легже жидкости), не поднимались вверх, а опускались вниз. Чтобы объяснить этот феномен, требуются познания в гидродинамике, одним из основоположников которой был ирландец (!) Джордж Габриэль Стокс (тот самый, который соавтор "уравнения Навье-Стокса", описывающее течение вязких жидостей). Может быть именно пристрастие к Гиннессу оказало свое благотворное влияние на него, как мифическое яблоко - на Ньютона? :)
1. Итак, начнем с того момента, когда в бокал пиво только что налили пинту Гиннесса и жидкость уже успокоилась. Разумеется, пузырьки внутри в полном соответствии с законом Архимеда начинают подниматься вверх, одновременно увлекая с собой и саму жидкость. И тут в дело вступает первый фактор - сила трения у стенок бокала, которая замедляет подъем как пузырьков, так и жидкости вместе с ними. 2. Таким образом, движение пузырьков и жидкости вверх происходит быстрее в центре бокала. Теперь в дело вступает закон сохранения массы - жидкость, поднимающаяся вверх в центре, обязана развернуться по направлению к краям бокала и начать движение вниз вблизи стенок. Дополнительную роль играет третий фактор - действительно высокая плотность пены Гиннеса, затрудняющая движение пузырьков к поверхности, у которой они стремятся лопнуть. 3. Итак, жидкость у краев бокала вынуждена двигаться вниз, толкая вниз и сами пузырьки, висящие вблизи стенок. Это движение жидкости (пока только жидкости) хорошо заметно в виде темных волн (без пузырьков, потому как), спускающихся вних извилистым путем. 4. Процесс повторяется - новые пузырьки поднимаются в центре бокала, снова увлекая жидкость вверх - образуется эдакий "водоворот" (пивоворот?) внутри бокала.Суммируем: пузырьки в центре бокала создают движение жидкости вверх, разворачивающийся у стенок бокала поток жидкости, в свою очередь, толкает пузырьки у краев вниз. Теперь осталось ответить на главный вопрос - а почему собственно пузырьки позволяют увлекать себя вниз. Тут вступает в дело главная особенность пива Гиннесс.В обычных сортах (вроде лагера) пива (и вообще во всех газировках) газом, содержащимся в жидкости, является обычная углекислота (он же карбон диоксид, он же СО2). Углекислота, как известно, очень хорошо растворяется в воде (собственно именно в таком виде она и "хранится" в газировке и пиве). Именно поэтому пузырьки углекислоты в бокале выглядят как будто появляющимися в жидкости ниоткуда (на самом деле это процесс, обратный растворению газа в жидкости). При этом, поднимаясь вверх, эти пузырьки постоянно растут в размерах (увлекая по ходу ддвижения все больше растворенной в жидкости углекислоты вместе с собой). Характеристический размер таких пузырьков - порядка 1 мм.
Напротив, в пиве Гиннесс газом, содержащимся в нем, является азот (главный компонент земной атмосферы). Он гораздо хуже растворяется в воде, и потому пузырьки азота в Гиннессе не растут по мере того, как они поднимаются вверх.Более того, пузырьки газа в Гиннессе изначально существенно меньше, чем пузырьки углекислоты в обычном пиве. Это связано с тем, что газ в пиво подается через очень маленькие дырочки под большим давлением - будь то в момент наливания его из специального крана в баре, будь то (что особенно интересно!) даже налитое в бокал из банки! Для этого внутри банки (и бутылки тоже, но дальше для простоты - банки) с Гиннесом находится запатентованное устройство, называемое официально smoothifier, а в просторечьи widget. Это пластиковый шарик с небольшим количеством пива и большим количеством азота под большим давлением внутри. Если потрясти банку - стук этого шарика хорошо слышен. После открывания банки газ выпускается в пиво через маленькие дырочки точно так же как это происходит в кране в баре, создавая очень большое количество очень маленьких пузырьков. Характеристический размер их - порядка 20-60 микрон.
Вот фото самого устройства (картинка - одновременно ссылка на статью в Википедии, посвященной устройству):
Ну и наконец, последний фактор, специфичный для Гиннесса - это его очень темный цвет, хорошо контрастирующий с очень светлыми пузырьками - что делает волны пузырьков и жидкости отлично видимыми.
Именно "пивоворот" жидкости в бокале в сочетании с тем, что пузырьки в Гиннессе существенно меньше и не увеличиваются при движении к поверхности и позволяет им (пузырькам) быт увлекаемым вниз по стенкам вместе с пивом. Что и выглядит как опускающиеся в пиве пузырьки газа.
Вот для полной ясности результаты компьютерного моделирования процессов, происходящих в бокале с пивом Гиннесс. Результаты получены с поможью программного пакета гидродинамического моделирования FLUENT.
Первая картинка - моделирование потоков жидкости в бокале, уже в принципе очевидная после вышеизложенного. А вот вторая - результат моделирования поведения пузырьков в пиве. Желтым цветом обозначены пути двидения пузырьков углекислоты размером около 1 мм (они, как и положено, стойко поднимаются вверх, преодолевая нисходящие потоки жидкости у стенок бокала). Красным же обозначено поведение пузырьков азота размером в 60 микрон - как видим они беспомощно следуют за жидкостью в ее "пивовороте".
П.С. Всех с праздником!
П.П.С. ( Update on 18 марта 2009 ) А вот как прошло празднование дня св. Патрика в Минске. Как чувствовал что у ОМОНА хватит ума разогнать карнавал. Фраза «тротуары предназначены для людей» лучше всего характеризует степень маразма.