Khoa học thường thức: Bật nắp sâm panh cũng không khác gì phóng một quả tên lửa

Các nhà khoa học từ Pháp và Ấn Độ đã sử dụng hệ thống mô phỏng máy tính để tiết lộ những gì xảy ra trong một vài micro giây, khi mở nắp một chai sâm panh. Họ phát hiện ra rằng trong phần nghìn giây đầu tiên sau khi nút chai bật ra, khí phun ra tạo thành các dạng sóng xung kích khác nhau - thậm chí đạt được tốc độ siêu thanh - trước khi bọt lắng xuống và thấm vào trong chất lỏng.

“Chúng tôi đã làm sáng tỏ các mô hình dòng chảy bất ngờ và tuyệt đẹp ẩn ngay dưới mũi của chúng ta, mỗi khi một chai sâm panh sủi bọt được mở ra", đồng tác giả báo cáo Gérard Liger-Belair của Đại học Reims Champagne-Ardenne cho biết. "Ai có thể tưởng tượng được những hiện tượng phức tạp và tính thẩm mỹ ẩn lại đằng sau một tình huống phổ biến mà bất kỳ ai trong chúng ta cũng phải trải qua?"

Liger-Belair đã nghiên cứu các hiện tượng vật lý của rượu sâm banh trong nhiều năm và là tác giả của cuốn sách Uncorked: The Science of Champagne. Ông đã thu thập được nhiều hiểu biết sâu sắc về vật lý cơ bản thông qua việc mở sâm panh, chỉ bằng cách chụp cắt lớp laze, chụp ảnh hồng ngoại, chụp ảnh video tốc độ cao và các mô hình toán học, cùng các phương pháp khác.

Theo Liger-Belair, sự sủi bọt của sâm panh phát sinh từ sự hình thành các bong bóng trên thành thủy tinh của chai. Một khi chúng tách ra khỏi vị trí tạo mầm của chúng, các bong bóng sẽ phát triển khi chúng nổi lên bề mặt chất lỏng, vỡ ra và xẹp xuống. Phản ứng này thường xảy ra trong vài mili giây và âm thanh tanh tách đặc biệt được phát ra khi bong bóng vỡ. Và sau khi các bong bóng trong rượu sâm panh vỡ ra, chúng tạo ra các giọt nhỏ giải phóng các hợp chất thơm, được cho là làm tăng hương vị của rượu.

Ngoài ra, kích thước của bong bóng cũng đóng một vai trò quan trọng trong một ly sâm panh. Các bong bóng lớn hơn, có kích thước bề mặt xấp xỉ 1,7 mm, giúp tăng cường giải phóng các giọt bắn vào không khí. Và chúng cũng tạo ra âm thanh cộng hưởng ở các tần số cụ thể, tùy thuộc vào kích thước. Vì vậy, bạn có thể "nghe thấy" sự phân bố kích thước của bong bóng khi chúng nổi lên trên bề mặt trong một ly sâm panh.

Rượu sâm panh thường được làm từ nho hái vào đầu mùa, thời điểm trái cây có ít đường hơn và nồng độ axit cao hơn. Nho được ép và đóng kín trong các thùng chứa để lên men, giống như bất kỳ loại rượu vang nào khác. CO2 được tạo ra trong quá trình lên men, nhưng nó được cho thoát ra ngoài vì những gì người ta muốn ở giai đoạn này là một loại rượu cơ bản. Sau đó, có một quá trình lên men thứ hai, tuy nhiên ở lần này, CO2 bị giữ lại trong chai, hòa tan vào rượu.

Việc tạo ra sự cân bằng phù hợp lúc này là rất quan trọng. Bạn cần áp suất khoảng 6 atm và 18 gam đường, chỉ với 0,3 gam men. Nếu ít hơn, rượu sâm panh thu được sẽ quá "non", còn nếu quá nhiều, áp suất sẽ làm nổ chai rượu. Bạn cũng cần nhiệt độ thích hợp, vì điều này sẽ ảnh hưởng đến áp suất bên trong bình. Khí CO2 áp suất cao đó cuối cùng sẽ được giải phóng khi nút chai được bật ra, giải phóng một luồng khí có lẫn hơi nước thoát ra khỏi nút cổ chai và bay vào không khí xung quanh.

Các thử nghiệm trước đây của Liger-Belair và đồng nghiệp đã sử dụng máy chụp hình ảnh tốc độ cao để chứng minh rằng các sóng xung kích hình thành khi một nút chai rượu sâm banh được bật ra. Với nghiên cứu hiện tại, "chúng tôi muốn mô tả rõ hơn về hiện tượng bất ngờ của dòng khí ở vận tốc siêu âm, xảy ra trong quá trình mở chai rượu sâm panh", đồng tác giả Robert Georges của Đại học Rennes 1 cho biết. Các nhà nghiên cứu nói rằng có thể coi chai sâm panh điển hình như một phòng thí nghiệm thu nhỏ.

Và dựa trên những mô phỏng đó, nhóm nghiên cứu đã xác định được ba giai đoạn riêng biệt. Ban đầu, khi mới mở nắp chai, hỗn hợp khí bị nút chai chặn một phần, do đó sự phóng ra không thể đạt tốc độ âm thanh. Khi nút chai nhả ra, luồng khí sau đó có thể thoát ra, hướng tâm và đạt tốc độ siêu âm, tạo thành một chuỗi các sóng xung kích để cân bằng áp suất của nó.

Những sóng xung kích này sau đó kết hợp với nhau để tạo thành những hình mẫu được gọi là kim cương xung kích (hay còn gọi là kim cương lực đẩy, hoặc kim cương Mach theo tên Ernst Mach, người đầu tiên mô tả chúng). Và đây cũng là điều thường được quan sát thấy trong ống xả tên lửa. Cuối cùng, luồng khí sẽ phun chậm lại với tốc độ cận âm, khi áp suất giảm xuống quá thấp để duy trì tỷ lệ áp suất cần thiết giữa nút cổ chai và mép nút chai.

Theo các nhà khoa học, nghiên cứu trên có ảnh hưởng đến một loạt các ứng dụng liên quan đến dòng chảy siêu thanh, bao gồm tên lửa đạn đạo, tuabin gió, phương tiện di chuyển dưới nước và cả bệ phóng tên lửa.

“Mặt đất bên dưới bệ phóng khi tên lửa bay lên trong không khí sẽ đóng vai trò của nút chai sâm panh, nơi mà trên đó các luồng khí được phóng ra sẽ tác động vào", các tác giả cho biết. "Tương tự như vậy, khí cháy phụt ra từ nòng súng sẽ tạo ra luồng khí với tốc độ siêu thanh lên viên đạn. Có thể nói, các vấn đề liên quan đến các hiện tượng vật lý giống nhau và chúng có thể được xử lý bằng cùng một cách tiếp cận tương tự nhau".