לא משנה מה האירוע, פופ של פקק שמפניה פירושו שחרור לחץ - הן עבור החוגגים העומדים להטמיע והן עבור הנוזל שבתוכו. פתיחת הבקבוק משנה את הלחץ על הנוזל, ומאפשרת לפחמן דו חמצני מומס לבעבע החוצה וליצור את הניצוץ האופייני בכוס שלך.
תוכן קשור
- שמפניה בת 170 שנה התאוששה (וטעימה) מספינה טרומית
- המדע מדוע פופ שמפניה
- מדע השמפניה, היין המבעבע שנוצר על ידי תאונה
אמנם היסודות של מדוע בועות שמפניה ידועות למדי, מדענים עדיין מנסים לפתור כמה תעלומות הקשורות להיווצרות בועות. אולי באופן מפתיע, בועות בשמפניה מצוננת מתנהגות באופן דומה לאלה שבמים הרותחים המשמשים בטורבינות קיטור, כמו גם בועות במגוון יישומים תעשייתיים.
"בועות נפוצות מאוד בחיי היומיום שלנו", אומר ג'רארד ליגר-בלאר, פיזיקאי מאוניברסיטת ריימס בצרפת, "הם ממלאים תפקיד מכריע בתהליכים טבעיים רבים כמו גם בתעשייה - בפיזיקה, כימיה ומכנית, אוקיאנוגרפיה, גאופיזיקה, טכנולוגיה ואפילו רפואה. עם זאת, התנהגותם מפתיעה לעתים קרובות, ובמקרים רבים עדיין לא מובנת לחלוטין. "
תעלומה אחת יוצאת דופן היא כמה מהר נוצרות בועות בגדלים שונים בנוזלים, דבר שיכול לעזור למהנדסים לתכנן מערכות דוודים יעילות יותר ולשפר את התפוקה מכורים המונעים על ידי קיטור. החוקרים ביפן אישרו כי השתמשו בכוח מחשוב-על כדי לדמות נוזלים מבעבעים כי הכל מסתכם בתורת מתמטיקה שהוצעה בשנות השישים.
"זהו הצעד הראשון להבין כיצד בועות מופיעות וכיצד בועות מתקשרות זו עם זו במהלך היווצרות הבועה [ברמה] המולקולרית", אומר מחבר המחקר הירושי ווטנבה, פיזיקאי מאוניברסיטת טוקיו. התוצאות מופיעות החודש בכתב העת לפיזיקה כימית .
בשמפניה ובמים רותחים, בועות עוברות טרנספורמציה המכונה הבשלת אוסטוולד, על שם מגלהיה, הכימאי הגרמני מהמאה ה -19 וילהלם אוסטוולד. הוא הבחין שחלקיקים קטנים של נוזל או מוצק בתמיסה יפנו את מקומם לחלקים גדולים יותר מכיוון שחלקיקים גדולים יותר יציבים יותר מבחינה אנרגטית.
במקרה של בועה, מולקולות נוזל על משטח קטן יותר יציבות פחות ונטות להתנתק. במקביל, יימשכו מולקולות למשטחים היציבים של בועות גדולות יותר. עם הזמן מספר הבועות הקטנות צונח ומספר הבועות הגדולות גדל, מה שמקנה לנוזל הכללי מרקם גס יותר. "אחרי שמופיעים בועות רבות ברגע של גלישת שמפניה [בקבוק], אוכלוסיית הבועות מתחילה לצמצם, " אומר ווטאנבה. "בועות גדולות הולכות וגדלות על ידי אכילת בועות קטנות יותר, ולבסוף רק בועה אחת תשרוד." בנוסף לשלטון היווצרות הבועה במשקה שלך, הבשלת אוסטוולד נמצאת מאחורי המרקם החולי של גלידה קפואה מחדש, מכיוון שהיא מעדיפה היווצרות של גבישי קרח גדולים יותר כאשר התערובת המומסת מתמצקת.
מעבר לתחום המזון והשתייה, הבשלת אוסטוולד מתרחשת בתחנות כוח בהן דוודים מחממים מים כדי לקצור את האנרגיה התרמית מאדים. עם זאת, המורכבויות של צורת בועות בתוך דוודים אינן מובנות היטב, בין השאר מכיוון שקשה ליצור מחדש את המסה העצומה של הבועות שמשחקות במעבדה.
ווטאנבה ועמיתיו מאוניברסיטת Kyusyu ומעבדות RIKEN ביפן פנו למחשב K, אחד ממחשבי העל המהירים בעולם. הם בנו תוכנית שתדמה את התנהגותם של מיליוני מולקולות וירטואליות במרחב וירטואלי מוגבל, במקרה זה, תיבה. הם הקצו לכל מולקולה מהירות וצפו כיצד הם נעים ויצרו בועות. הצוות גילה כי לוקח בערך 10, 000 מולקולות של נוזלים כדי ליצור רק בועה אחת, ולכן הם נאלצו למפות את התנועה של בערך 700 מיליון מולקולות כדי להבין כיצד הבועות התנהגו בהמוניהן. להלן אנימציה של גרסת גודל מדורגת של ההדמיות שלהם:
לאחר צורת בועות מרובות, הבשלת אוסטוולד מתרחשת עד שנותרה רק בועה אחת. (H.Inaoka / RIKEN) המודלים עזרו לצוות לאשר כי בועות עוקבות אחר מסגרת מתמטית שהוקמה בשנות השישים בשם Lifshitz-Slyozov-Wagner (LSW). בהתחלה, המהירות בה מולקולות יכולות לעבור מנוזל לגז קובעת את מהירות היווצרות הבועה. טרנספורמציה זו מתרחשת על פני השטח של הבועה, ולכן ככל שקצב האידוי מאיץ, המהירות בה מולקולות נוזליות יכולות להגיע אל פני הבועה קובעת את קצב ההיווצרות והצמיחה.
ווטאנבה משווה את היחסים עם מפעל, שבו מכונות עומדות בתהליך היווצרות הבועות: "אם הביצועים של המכונות במפעל גרועים, קצב הייצור של המפעל נקבע על ידי ביצועי המכונות. אם הביצועים של מכונות מספיק טובים, אז קצב הייצור נקבע על ידי אספקת חומרי מקור. "
בצינורות המחוממים של מערכת טורבינת גז, בועות עלולות להפחית את חילופי החום ולגרום לבלאי כאשר הקפיצה שלהם מפעילה כוח קטן על משטח המתכת של הצינור. אותו דבר קורה כשמכניסים מדחף למים: בועות נוצרות, פופות ופוגעות בהבים בהדרגה. הטורבינות והמדחפים עברו אופטימיזציה כדי להפחית את ההשפעות המזיקות של בועות, אך, טוען ווטנבה, "תובנות עמוקות לגבי התנהגות הבועות יעזרו לנו למצוא רעיונות פורצי דרך לשיפורן."
בנוסף ליעילות פוטנציאלית של תחנות כוח, ווטנבה רואה יישומים לעבודה בשדות אחרים העשירים בבועות, כמו אלה המשתמשים בקצף או בסגסוגות מתכת. "אנו מאמינים כי ההבנה של התנהגות בועות ברמה המולקולרית תעזור לנו לשפר את היעילות של סוגים רבים של מכשירים בעתיד הקרוב, " הוא אומר.
לחיים לזה.
