Quando você abre uma garrafa de champanhe, ocorrem fenômenos supersônicos complexos. Os cientistas da TU Wien conseguiram agora calcular exatamente o que acontece pela primeira vez.



Parece um fenômeno simples e bem conhecido do dia a dia:há alta pressão em uma garrafa de champanhe, a rolha é empurrada para fora pelo gás comprimido na garrafa e voa para longe com um poderoso estalo. Mas a física por trás disso é complicada.

Experimentos com câmeras de alta velocidade já foram realizados, mas falta uma análise matemático-numérica. Esta lacuna foi agora colmatada na TU Wien. Através de complexas simulações computacionais foi possível recalcular o comportamento da rolha e do fluxo de gás.

No processo, foram descobertos fenômenos surpreendentes:uma onda de choque supersônica é formada e o fluxo de gás pode atingir mais de uma vez e meia a velocidade do som. Os resultados, que aparecem no servidor de pré-impressão arXiv , também são importantes para outras aplicações que envolvem fluxos de gás em torno de mísseis balísticos, projéteis ou foguetes.

A onda de choque da garrafa

"A própria rolha de champanhe voa a uma velocidade comparativamente baixa, atingindo talvez 20 metros por segundo", diz Lukas Wagner, o primeiro autor do estudo, que é estudante de doutorado no Instituto de Mecânica dos Fluidos e Transferência de Calor da TU Wien e também realiza pesquisas no Centro Austríaco de Competência em Tribologia (AC2T).

“No entanto, o gás que sai da garrafa é muito mais rápido”, diz Wagner. “Ele ultrapassa a cortiça, passa por ela e atinge velocidades de até 400 metros por segundo.”

Isso é mais rápido que a velocidade do som. O jato de gás, portanto, rompe a barreira do som logo após a abertura da garrafa – e isso é acompanhado por uma onda de choque. Normalmente, variáveis ​​como pressão e temperatura em um gás mudam continuamente:dois pontos próximos um do outro também têm aproximadamente a mesma pressão de ar. Mas quando ocorre uma onda de choque, as coisas são diferentes.

“Depois, há saltos nessas variáveis, as chamadas descontinuidades”, diz Bernhard Scheichl (TU Vienna &AC2T), orientador da dissertação de Lukas Wagner. "Então a pressão ou velocidade na frente da onda de choque tem um valor completamente diferente do valor logo atrás dela."

Este ponto do jato de gás, onde a pressão muda abruptamente, também é conhecido como “disco Mach”. “Fenômenos muito semelhantes também são conhecidos em aeronaves ou foguetes supersônicos, onde o jato de exaustão sai dos motores em alta velocidade”, explica Stefan Braun (TU Wien), que teve a ideia original do projeto e supervisionou a tese de mestrado do Sr. sobre o assunto. O disco Mach se forma primeiro entre a garrafa e a rolha e depois volta em direção à abertura da garrafa.

Temporariamente mais frio que o Pólo Norte

Não só a pressão do gás, mas também a temperatura muda abruptamente:“Quando o gás se expande, fica mais frio, como sabemos pelas latas de spray”, explica Lukas Wagner. Este efeito é muito pronunciado na garrafa de champanhe:o gás pode esfriar até -130°C em determinados pontos. Pode até acontecer que pequenos cristais de gelo seco sejam formados a partir do CO₂ que faz o vinho espumante borbulhar.

“Esse efeito depende da temperatura original do espumante”, diz Lukas Wagner. "Temperaturas diferentes levam a cristais de gelo seco de tamanhos diferentes, que depois dispersam a luz de maneiras diferentes. Isso resulta em fumaça de cores variadas. Em princípio, você pode medir a temperatura do vinho espumante apenas observando a cor da fumaça."

Expansão da cortiça e aparecimento de ondas de choque

“O fato de que fenômenos supersônicos realmente ocorrem quando uma garrafa de vinho espumante estoura não era nada claro no início – você não necessariamente esperaria isso”, diz Bernhard Scheichl. "Mas nossas simulações mostram que isso surge naturalmente das equações da mecânica dos fluidos, e nossos resultados concordam muito bem com os experimentos."

O estalo audível quando a garrafa é aberta é uma combinação de diferentes efeitos:em primeiro lugar, a rolha expande-se abruptamente assim que sai da garrafa, criando uma onda de pressão, e em segundo lugar, pode-se ouvir a onda de choque, gerada pelo gás supersónico jato - muito semelhante ao conhecido fenômeno aeroacústico do estrondo sônico. Ambos juntos são responsáveis ​​pelo som característico do estouro da rolha do champanhe. A expansão da rolha foi modelada com base nas experiências realizadas pelo Sr. Wagner na AC2T.

Os métodos agora desenvolvidos para resolver os quebra-cabeças que cercam a física do estouro da rolha de champanhe também podem ser aplicados a outras áreas relacionadas:desde o disparo de balas de pistola até o lançamento de foguetes - em muitas situações tecnicamente importantes, você está lidando com corpos de fluxo muito sólidos que interagem fortemente com um fluxo de gás muito mais rápido.

Mais informações: Lukas Wagner et al, Simulando a abertura de uma garrafa de champanhe, arXiv (2023). DOI:10.48550/arxiv.2312.12271
Informações do diário: arXiv

Fornecido pela Universidade de Tecnologia de Viena