Ερευνητές στον κλάδο της ρευστομηχανικής διαπίστωσαν ότι τα επιφανειοδραστικά συστατικά είναι αυτά που χαρίζουν στο εορταστικό ποτό την χαρακτηριστική ευθύγραμμη άνοδο των φυσαλίδων.
Να και μερικά επιστημονικά ευρήματα που αξίζουν μια πρόποση: Ερευνητές από το Πανεπιστήμιο Brown και το Πανεπιστήμιο της Τουλούζης ανακάλυψαν γιατί οι φυσαλίδες στη σαμπάνια ανεβαίνουν ακολουθώντας ευθεία γραμμή ενώ οι φυσαλίδες άλλων ανθρακούχων ποτών -όπως η μπύρα ή η σόδα- όχι.
Τα ευρήματα, που δημοσιεύτηκαν στο επιστημονικό περιοδικό “Physical Review Fluids”, βασίζονται σε μια σειρά από αριθμητικά και υλικά πειράματα, τα οποία συμπεριέλαβαν -φυσικά- γεμίσματα ποτηριών με σαμπάνια, μπύρα, ανθρακούχο νερό και αφρώδη οίνο. Τα αποτελέσματα όχι μόνο εξηγούν τι είναι αυτό που δίνει στη σαμπάνια την στήλη των φυσαλίδων της, αλλά επιπλέον είναι σημαντικά για την κατανόηση των ροών με φυσαλίδες στον τομέα της μηχανικής των ρευστών.
«Αυτό είναι το είδος της έρευνας, με το οποίο ασχολούμαι εδώ και χρόνια», δηλώνει ο Roberto Zenit, καθηγητής ρευστομηχανικής στο Brown, και επιβλέπων συν-συγγραφέας της εργασίας. «Οι περισσότεροι άνθρωποι δεν έχουν δει ποτέ έκλυση αερίων από τον βυθό του ωκεανού ή μια δεξαμενή αερισμού, όμως οι περισσότεροι έχουν πιει μια σόδα, μια μπύρα ή ένα ποτήρι σαμπάνια. Αυτό που θέλουμε είναι, μιλώντας για σαμπάνια και μπύρα, να κάνουμε τους ανθρώπους να καταλάβουν ότι η μηχανική των ρευστών παίζει σημαντικό ρόλο στην καθημερινή τους ζωή.»
Στόχος της ομάδας ήταν να διερευνήσει τη σταθερότητα των αλυσίδων από φυσαλίδες στα ανθρακούχα ποτά. Χαρακτηριστικό κομμάτι της εμπειρίας κατά την απόλαυση των ποτών αυτών αποτελούν οι μικρές ή μεγάλες φυσαλίδες που σχηματίζονται όταν τα ρίχνουμε στο ποτήρι, δημιουργώντας μια ορατή αλυσίδα φυσαλίδων και αφρό. Ανάλογα με το ποτό και τα συστατικά του, η μηχανική των υγρών που εμπλέκεται είναι διαφορετική.
Στην σαμπάνια και τον αφρώδη οίνο, για παράδειγμα, οι φυσαλίδες αερίου που εμφανίζονται κινούνται γρήγορα προς την κορυφή σε μια γραμμή, η μία πίσω από την άλλη· φαινόμενο γνωστό ως σταθερή αλυσίδα φυσαλίδων. Σε άλλα ανθρακούχα ποτά, όπως η μπύρα, πολλές εκτρέπονται προς τα πλάγια, εμφανίζοντας πολλές φυσαλίδες να ανεβαίνουν μαζί. Αυτό σημαίνει ότι η αλυσίδα φυσαλίδων δεν είναι σταθερή.
Οι ερευνητές θέλησαν να βρουν τι είναι αυτό που καθιστά σταθερές τις αλυσίδες φυσαλίδων. Θέλησαν επίσης να δουν εάν θα μπορούσαν να τις αναδημιουργήσουν· μετατρέποντας ασταθείς αλυσίδες σε σταθερές, όπως συμβαίνει στη σαμπάνια ή το prosecco.
Τα αποτελέσματα των πειραμάτων τους δείχνουν ότι οι σταθερές αλυσίδες φυσαλίδων στη σαμπάνια και σε άλλα αφρώδη κρασιά εμφανίζονται λόγω κάποιων συστατικών τα οποία δρουν ως σαπωνοειδείς ενώσεις που ονομάζονται επιφανειοδραστικές (ή τασιενεργά). Αυτά τα μόρια που μοιάζουν με τασιενεργά συμβάλλουν στη μείωση της τάσης μεταξύ του υγρού και των αέριων φυσαλίδων, οδηγώντας σε μία ομαλή άνοδο προς την κορυφή.
«Η θεωρία, λοιπόν, είναι ότι στη σαμπάνια αυτές οι προσμείξεις που δρουν ως επιφανειοδραστικές ουσίες, είναι οι καλές ουσίες», εξηγεί ο Zenit. «Αυτά τα μόρια πρωτεΐνης που δίνουν γεύση και μοναδικότητα στο υγρό είναι και αυτά που καθιστούν σταθερές τις αλυσίδες φυσαλίδων που παράγουν.»
Τα πειράματα έδειξαν επίσης ότι η σταθερότητα επηρεάζεται από το ίδιο το μέγεθος των φυσαλίδων. Ανακάλυψαν ότι οι αλυσίδες με μεγάλες φυσαλίδες εμφανίζουν ομόρρου παρόμοιο με αυτόν των φυσαλίδων με προσμείξεις, ο οποίος οδηγεί σε ομαλή άνοδο και σταθερές αλυσίδες.
Στα ποτά, όμως, οι φυσαλίδες είναι πάντοτε μικρές γεγονός που καθιστά τα επιφανειοδραστικά το βασικό συστατικό για την παραγωγή ίσιων και σταθερών αλυσίδων. Η μπύρα, για παράδειγμα, περιέχει και αυτή μόρια που δρουν ως τασιενεργά, όμως ανάλογα με τον τύπο της μπύρας οι φυσαλίδες μπορεί να ανεβαίνουν σε ευθύγραμμες αλυσίδες ή όχι. Αντίθετα, οι φυσαλίδες στο ανθρακούχο νερό είναι πάντοτε ασταθείς, καθώς δεν υπάρχουν προσμείξεις που να βοηθούν τις φυσαλίδες να κινούνται ομαλά μέσα στον ομόρρου που αφήνουν πίσω τους οι άλλες φυσαλίδες στην αλυσίδα.
«Ο ομόρρους, αυτή η διαταραχή ταχυτήτων, προκαλεί την εκτροπή των φυσαλίδων», λέει ο Zenit. «Αντί να ακολουθούν μία γραμμή, οι φυσαλίδες καταλήγουν να ανεβαίνουν σχηματίζοντας έναν κώνο.»
Οι ερευνητές ςξηγούν ότι τα αποτελέσματα της νέας μελέτης πηγαίνουν πολύ πιο πέρα από την την κατανόηση -απλώς- της επιστήμης που κρύβεται πίσω από τις εορταστικές προπόσεις. Τα ευρήματα παρέχουν ένα γενικό πλαίσιο στη μηχανική ρευστών για την κατανόηση του σχηματισμού συσσωρευμάτων σε ροές φυσαλίδων· με αξία τόσο στον κοινωνικό όσο και στον οικονομικό τομέα.
Οι τεχνολογίες που χρησιμοποιούν ανάμειξη που προκαλείται από φυσαλίδες, όπως οι δεξαμενές αερισμού σε εγκαταστάσεις επεξεργασίας νερού, για παράδειγμα, μπορούν να ωφεληθούν από την καλύτερη κατανόηση του τρόπου συσσώρευσης των φυσαλίδων, της προέλευσής των συσσωρευμάτων αυτών, και του τρόπου πρόβλεψης της εμφάνισής τους. Στη φύση, η κατανόηση αυτών των ροών μπορεί να μας βοηθήσει να ερμηνεύσουμε καλύτερα τις ωκεάνιες εκλύσεις – όπου μεθάνιο και διοξείδιο του άνθρακα αναδύονται από τον πυθμένα.
Τα πειράματα που διεξήγαγε η ερευνητική ομάδα ήταν σχετικά απλά – κάποια από αυτά θα μπορούσαν έχουν διεξαχθεί ακόμη και σε μια τοπική pub. Για να παρατηρήσουν τις αλυσίδες των φυσαλίδων, οι ερευνητές γέμισαν πολλά ποτήρια με ανθρακούχα ποτά, όπως ανθρακούχο νερό Pellegrino, μπύρα Tecate, σαμπάνια Charles de Cazanove και μία ισπανικού τύπου brut.
Για να μελετήσουν τις αλυσίδες φυσαλίδων και το πως μπορούν αυτές να γίνουν σταθερές, γέμισαν ένα μικρό ορθογώνιο δοχείο από πλεξιγκλάς με υγρό και τοποθέτησαν μια βαλβίδα στο κάτω μέρος, έτσι ώστε να μπορούν να εισάγουν αέριο υπό πίεση, δημιουργώντας διαφορετικά είδη αλυσίδων από φυσαλίδες.
Στη συνέχεια, οι ερευνητές πειραματίστηκαν είτε προσθέτοντας σταδιακά τασιενεργά είτε αυξάνοντας -πάλι σταδιακά- το μέγεθος των φυσαλίδων. Διαπίστωσαν ότι κάνοντας τις φυσαλίδες μεγαλύτερες, μπορούσαν να μετατρέψουν σε σταθερές τις ασταθείς αλυσίδες φυσαλίδων, ακόμη και χωρίς τασιενεργά. Επίσης, διατηρώντας ένα σταθερό μέγεθος φυσαλίδων, διαπίστωσαν ότι μπορούσαν και πάλι να μεταβούν από ασταθείς αλυσίδες σε σταθερές, μόνο με προσθήκη τασιενεργών.
Τα πειράματα δείχνουν ότι υπάρχουν δύο διακριτοί τρόποι σταθεροποίησης μιας αλυσίδας φυσαλίδων: η προσθήκη επιφανειοδραστικών ουσιών και η αύξηση του μεγέθους των φυσαλίδων.
Επιπλέον, οι ερευνητές εκτέλεσαν αριθμητικές προσομοιώσεις σε έναν υπολογιστή για να πάρουν απαντήσεις σε όσα δεν προέκυπταν από τα πειράματα, όπως ο υπολογισμός της ποσότητας των επιφανειοδραστικών ουσιών στις φυσαλίδες αερίου, το βάρος των φυσαλίδων και η ακριβής ταχύτητά τους.
Η ομάδα σκοπεύει να συνεχίσει την μελέτη της μηχανικής των σταθερών αλυσίδων φυσαλίδων και των εφαρμογών αυτής, καθώς όπως δηλώνει ο Zenit: «Μας ενδιαφέρει το πώς κινούνται αυτές οι φυσαλίδες και το πως σχετίζονται με βιομηχανικές εφαρμογές και τη φύση».
Παραπομπές: Omer Atasi et al, Presence of surfactants controls the stability of bubble chains in carbonated drinks, Physical Review Fluids (2023). DOI: 10.1103/PhysRevFluids.8.053601
Πηγή: Brown University https://www.brown.edu/
