من المحتمل أنك ستفتح زجاجة أو اثنتين من زجاجات الشمبانيا في غضون أيام قليلة للاحتفال بالعام الجديد.
لكن ما قد لا تقدره عندما تفتح أزيزك هو أنك تتعامل مع آلية أسرع من الصوت تشبه الطائرة القوية.
هذا وفقًا لعلماء في النمسا، الذين كشفوا أخيرًا عن الفيزياء الرائعة وراء مشروب الشمبانيا.
ويقولون إن موجة الصدمة الأسرع من الصوت تطلق الغاز عبر الزجاجة بسرعة تصل إلى 400 متر في الثانية عند -202 درجة فهرنهايت (-130 درجة مئوية) – وهو أبرد بكثير حتى من القطب الشمالي.
وفي الوقت نفسه، يتم إخراج الفلين بسرعات أبطأ بكثير، ولكنه لا يزال سريعًا بما يكفي للتسبب في إصابة خطيرة إذا تم توجيهه في الاتجاه الخاطئ.
حان الوقت لدرس فيزيك: يقول العلماء أن “الظواهر الأسرع من الصوت المعقدة” تحدث عندما تفتح زجاجة الشمبانيا في 31 ديسمبر
الغاز الذي يتدفق من زجاجة الشمبانيا أسرع بكثير من الفلين. تُعرف النقطة في تدفق الغاز هذا، حيث يتغير الضغط فجأة، باسم قرص ماخ
قاد الدراسة الجديدة لوكاس فاغنر، طالب الدكتوراه في معهد ميكانيكا الموائع بجامعة فيينا للتكنولوجيا.
يقول فاغنر وزملاؤه إن “الظواهر الأسرع من الصوت المعقدة تحدث” عندما تفتح زجاجة من الشمبانيا.
زجاجات الشمبانيا أكثر سمكًا وأثقل من زجاجات النبيذ العادية لاحتواء الضغط الهائل بداخلها.
يتم إنشاء هذا الضغط بواسطة فقاعات ثاني أكسيد الكربون الناتجة أثناء التخمير ولهذا السبب يجب إغلاق الفلين بقفص سلكي (“الموسيليت”).
عندما يتم فتحها أخيرًا، يتم دفع السدادة إلى الخارج بواسطة الغاز المضغوط الموجود في الزجاجة وتطير بعيدًا محدثة فرقعة قوية – لكن الفيزياء وراء ذلك كانت غير واضحة، كما يقول الفريق.
وباستخدام عمليات محاكاة حاسوبية معقدة، تمكنوا من حساب سلوك الفلين المقذوف وتدفق غاز ثاني أكسيد الكربون المصاحب له.
وبينما يتم قذف الفلين بسرعة حوالي 20 مترًا في الثانية، فإن تدفق الغاز يكون أسرع بكثير، حيث يصل إلى 400 متر في الثانية، كما وجد الفريق.
في الصورة تصور للفلين يخرج من زجاجة شمبانيا باللون الأسود. يطير فلين الشمبانيا نفسه بعيدًا بسرعة منخفضة نسبيًا – حوالي 20 مترًا في الثانية
ولذلك فإن الغاز أسرع من الصوت رسميًا، مما يعني أنه ينتقل بسرعة أكبر من سرعة الصوت (343 مترًا في الثانية).
هناك نقطة في تدفق الغاز يتغير فيها الضغط فجأة – تُعرف باسم “قرص ماخ”، كما يظهر أيضًا في الطائرات الأسرع من الصوت.
وقال مؤلف الدراسة ستيفان براون، وهو أيضًا في جامعة فيينا للتكنولوجيا: “هناك ظواهر مشابهة جدًا معروفة أيضًا من الطائرات أو الصواريخ الأسرع من الصوت، حيث يخرج العادم النفاث من المحركات بسرعة عالية”.
أما بالنسبة للفرقعة المسموعة عند فتح الزجاجة والتي غالبًا ما تبشر ببدء الاحتفالات، فهذا مزيج من تأثيرين مختلفين.
أولاً، يتمدد الفلين فجأة بمجرد مغادرته الزجاجة، مما يخلق موجة ضغط، وثانيًا، يتم إنشاء موجة صدمة بواسطة نفث الغاز الأسرع من الصوت.
وهذا يشبه إلى حد كبير ظاهرة الطفرة الصوتية المعروفة، والتي يحاول خبراء الطيران القضاء عليها لصنع طائرات أكثر هدوءًا.
يمكن أن تكون الدراسة، التي نُشرت على خادم ما قبل الطباعة arXiv، مهمة للتطبيقات الأخرى التي تتضمن تدفقات الغاز، مثل الصواريخ الباليستية أو المقذوفات أو الصواريخ.
يخرج الفلين بسرعات أبطأ بكثير، لكنه لا يزال سريعًا بما يكفي لإحداث إصابة خطيرة إذا تم توجيهه في الاتجاه الخاطئ (صورة أرشيفية)
وخلص المؤلفون إلى أنه “في العديد من المواقف المهمة تقنيًا، فإنك تتعامل مع أجسام تدفق صلبة جدًا تتفاعل بقوة مع تدفق غاز أسرع بكثير”.
كشف فريق آخر من الباحثين في وقت سابق من هذا العام عن سبب فوران الفقاعات الموجودة في الشمبانيا بشكل مستقيم تمامًا بينما لا يحدث ذلك في البيرة.
لقد وجد أن الفقاعات الأكبر حجمًا وإضافة بروتينات خاصة في الشامبانيا تعمل على تثبيت سلاسل الفقاعات، مما يسمح لها بالارتفاع في خط مستقيم.
أظهرت أبحاث أخرى أن هناك فقاعات في الشمبانيا أكثر من البيرة، عند مقارنة نفس الحجم من كلا المشروبين.
وذلك لأن الشمبانيا وغيرها من أنواع النبيذ الفوار تحتوي على ضعف كمية ثاني أكسيد الكربون المذاب من السكر الزائد.