Irske matematikere løser problemet med Guinness synkende boble

En af de mere spændende gåder inden for væskedynamik er boblernes forvirrende adfærd i Guinness, den berømte irske stout.

Som mange drikker vil bevidne, ser boblerne i Guinness ud til at synke, efterhånden som drinken sætter sig, og hovedet dannes. Hvordan kan dette være, i betragtning af at boblerne er mindre tætte end den omgivende væske og derfor bør stige?

I løbet af de sidste ti år eller deromkring er fysikere begyndt at skille dette problem fra hinanden. Senest har de vist, at det ikke er boblerne, der synker, men væsken, som cirkulerer på en måde, der er nedad i nærheden af ​​glasvæggene og opad i det indre. Så længe den nedadgående strøm af væsken er hurtigere end boblernes opadgående bevægelse, vil de synes at synke.

Men det efterlader stadig et puslespil: hvorfor cirkulerer væsken på denne måde?

I dag afslører et dedikeret team af irske matematikere svaret. Eugene Benilov, Cathal Cummins og William Lee ved University of Limerick siger, at den sidste brik i dette puslespil er formen på glasset, som har en afgørende indflydelse på kredsløbsmønstrene i væsken.

For at forstå hvordan, skal du først huske, at bevægelsen af ​​hver boble udøver et træk på væsken omkring den. Forestil dig nu, hvad der ville ske, hvis der var et område af væske indeholdende færre bobler nær væggen af ​​et halvliters glas og følgelig et område med højere bobletæthed nær midten af ​​glasset.

Benilov og co siger, at luftmodstanden vil være højere i det område, hvor bobletætheden er højere, med andre ord nær midten af ​​glasset. Dette skaber en ubalance, der sætter et cirkulationsmønster op, hvor væsken flyder opad i midten af ​​glasset og nedad nær væggene.

Det er nøjagtigt som observeret i en pint Guinness. Men hvad forårsager området med lav bobletæthed nær glasvæggene i første omgang?

Benilov og co forestiller sig, at boblerne til at starte med fordeler sig jævnt i væsken. I en perfekt cylinder ville de simpelthen stige sammen. Boblerne i hvert volumen væske fyldes støt op nedefra.

Men forestil dig en beholder, der er smallere i bunden og bredere i toppen, så væggene hæver sig på skrå, som i et halvliters glas. I dette tilfælde skaber den simple handling med bobler, der stiger, et område med lav bobletæthed ved siden af ​​den vinklede væg, fordi boblerne ikke bliver konstant genopfyldt nedenfor.

Derimod er bobletætheden højere i midten af ​​glasset, fordi boblerne genopfyldes nedefra.

Det ville sætte præcis det cirkulationsmønster op, der observeres, siger Benilov og co.

Denne effekt er velkendt i sedimentationsteorien som boykot-effekten. Det blev først observeret i reagensglas med røde blodlegemer, da det blev opdaget, at sedimentationstider kunne reduceres væsentligt ved at hælde reagensglassene, siger Benilov og co.

Disse fyre har endda lavet en computermodel for bobleadfærd i Guinness, som bekræfter deres tankegang.

Prikken over i'et er dog, at der er et simpelt eksperiment, der nemt kan bekræfte teorien.

Eksperimenter er normalt ikke matematikeres domæne. Men Benlivo og co demonstrerer tapperhed ud over den matematiske pligt ved faktisk at udføre eksperimentet, hvor de modigt hælder Guinness i en cylinder. Hvis beholderen vippes, vil bobler blive observeret at bevæge sig opad nær dens øvre overflade og nedad nær dens nedre overflade, siger de.

De har endda lavet en video af dette eksperiment, som du kan download her (avi) .

Naturligvis er essensen af ​​eksperimentel videnskab repeterbarhed. Mange læsere vil ikke nøjes med blot visuelle beviser fra en video, men insisterer på at gentage dette eksperiment på deres egne præmisser, måske i et herberg efter eget valg. Helt rigtigt.

Men hvis du vælger denne rute, så husk, at dette arbejde ikke er helt pudsigt. Forståelse af disse typer boblende strømme er vigtigt for en række anvendelser, såsom fremstilling af champagneglas indgraveret med kernedannelsessteder, og widget og lignende teknologier til at fremme skumdannelse i stouts, siger Benilov og co.

Guinness-drikkere (og servere) vil også være opmærksomme på et andet problem, der plager dem – den tid, det tager for en pint Guinness at sætte sig, hvilket er betydeligt længere end med de fleste ales og pilsnerøl.

Kunne dette arbejde tillade, at pintglas redesignes på en måde, der tilskynder stouts til at sætte sig hurtigere?

Vi vil følge den fremtidige udvikling tæt.

Ref: arxiv.org/abs/1205.5233 : Hvorfor synker bobler i Guinness?

skjule