عند الاستمتاع بكأس من الشمبانيا ، يشعر معظمنا بالقلق فقط من أن الاتجاه الذي تسير فيه الفقاعات هو أسفل حناجرنا.
ومع ذلك ، لم يستطع علماء من جامعة براون التوقف عن التساؤل عن سبب صعودهم بشكل مستقيم ، بينما لا يفعل ذلك الموجودون في المشروبات الغازية الأخرى.
لحل المشكلة ، سكبوا حاويات من الشمبانيا والبيرة والماء الفوار والنبيذ الفوار ، وضخوا الغاز في القاع.
ثم قاموا بعد ذلك بتغيير حجم الفقاعة وإضافة مكونات مختلفة إلى المشروبات ، مع ملاحظة كيفية تأثر الفقاعات.
لقد وجد أن الفقاعات الكبيرة وإضافة البروتينات الخاصة في الشمبانيا تعمل على استقرار سلاسل الفقاعات ، مما يسمح لها بالارتفاع في خط مستقيم.
اكتشف علماء من جامعة براون سبب تدفق الفقاعات الموجودة في الشمبانيا (على اليسار) لأعلى في خط مستقيم ، لكن تلك الموجودة في المشروبات الغازية الأخرى ، مثل البيرة (على اليمين) لا تفعل ذلك.
لقد وجد أن الفقاعات الكبيرة ، وإضافة البروتينات الخاصة الموجودة في الشمبانيا ، تعمل على استقرار سلاسل الفقاعات ، مما يسمح لها بالارتفاع في خط مستقيم. في الصورة: سلاسل فقاعية تتشكل من أنبوب شعري في سائل نظيف ، مما يزيد من معدل التدفق من اليسار إلى اليمين. عندما يزداد تواتر فقاعات الغاز إلى معدل سلاسل الفقاعات في الشمبانيا ، تفقد السلسلة الاستقرار بسرعة
قال كبير مؤلفي الدراسة البروفيسور روبرتو زينيت: “هذا هو نوع البحث الذي كنت أعمل عليه لسنوات”.
معظم الناس لم يروا قط تسربًا في المحيط أو خزانًا للتهوية ، لكن معظمهم تناول مشروبًا غازيًا أو بيرة أو كأسًا من الشمبانيا.
“بالحديث عن الشمبانيا والبيرة ، فإن خطتنا الرئيسية هي جعل الناس يفهمون أن ميكانيكا السوائل مهمة في حياتهم اليومية.”
تحتوي المشروبات الغازية على فقاعات بسبب غاز ثاني أكسيد الكربون المذاب في السائل.
يضاف هذا لإنشاء ملمس فوار ، وتعزيز النكهة ، وفي بعض الأحيان ، الحفاظ على العمر الافتراضي عن طريق تثبيط نمو البكتيريا.
عندما يتم فتح المشروب ، يتم تحرير الضغط ، مما يؤدي إلى خروج ثاني أكسيد الكربون من المحلول على شكل فقاعات.
ترتفع الفقاعات إلى السطح واحدة تلو الأخرى ، وتشكل سلسلة ذات اتجاه يعتمد على ديناميكيات موائع المشروبات الفردية.
في الشمبانيا والنبيذ الفوار ، ترتفع فقاعات الغاز في خط ملف واحد يتجه لأعلى ، وهو ما يُعرف باسم سلسلة الفقاعات “المستقرة”.
في البيرة والماء الفوار والمشروبات الغازية الأخرى ، يمكن للفقاعات أن تنحرف إلى الجانب لأنها تظهر في سلسلة فقاعات “غير مستقرة”.
السلسلة غير المستقرة تجعلها تبدو كما لو أنها ليست في سلسلة على الإطلاق ، وأن الفقاعات المتعددة تتصاعد مرة واحدة.
في دراستهم ، التي نُشرت اليوم في Physical Review Fluids ، أراد الباحثون معرفة العناصر التي أثرت على استقرار سلسلة الفقاعات.
أولاً ، سكبوا مشروبًا – إما ماء فوار من نوع Pellegrino ، أو بيرة Tecate ، أو شمبانيا Charles de Cazanove أو شرابًا على الطراز الإسباني – في وعاء مستطيل.
ثم قاموا بإدخال إبرة في القاع قاموا من خلالها بضخ تيار مستمر من الهواء لإنشاء سلسلة فقاعية.
ثم قام الباحثون تدريجياً بتغيير حجم الفقاعات عن طريق زيادة أو تقليل تدفق الهواء ، ودرسوا تأثيرها على السلسلة.
كما أضافوا نوعًا خاصًا من الجزيء يسمى “الفاعل بالسطح” المعروف بمساعدته في تثبيت الفقاعات.
يفعلون ذلك لأن لديهم طرفين – أحدهما ينجذب إلى الماء (محب للماء) والآخر ينفره الماء (كاره للماء).
عندما يتم نفخ الغاز في سائل يحتوي على مواد خافضة للتوتر السطحي ، فإن الجزيئات تصطف نفسها عند سطح الفقاعة التي يتكون منها.
تبقى النهاية المحبة للماء في السائل ، والنهاية الكارهة للماء تندفع في الغاز ، مما يخلق حاجزًا بين الاثنين.
يعمل هذا على استقرار الفقاعة عن طريق تقليل التوتر السطحي ومنعها من الظهور – وفي المشروبات الغازية – مساعدتها على الارتفاع بسلاسة.
وجد الباحثون أن الفقاعات الأكبر تشكل سلاسل فقاعية أكثر استقرارًا ، حتى بدون وجود أي مادة خافضة للتوتر السطحي.
وهذا ما يفسر سبب تشكل الفقاعات سلاسل غير مستقرة في معظم المشروبات الغازية ، لأنها تميل إلى أن تحتوي على فقاعات أصغر.
أدت إضافة جزيئات الفاعل بالسطح أيضًا إلى إنشاء سلاسل فقاعية مستقرة ، لأنها تمنعها من الخروج من الخط بفعل أعقاب الفقاعة الأمامية.
يُعتقد أن هذا هو السبب الرئيسي وراء ارتفاع فقاعات الشمبانيا في خط مستقيم – تعمل البروتينات الموجودة بداخلها كمواد خافضة للتوتر السطحي.
تساعد جزيئات الفاعل بالسطح على استقرار الفقاعات لأن لها طرفين – أحدهما ينجذب إلى الماء (محب للماء) والآخر ينفره الماء (كاره للماء). عندما يتم نفخ الغاز في سائل يحتوي على مواد خافضة للتوتر السطحي ، فإن الجزيئات تصطف نفسها عند سطح الفقاعة التي يتكون منها. تبقى النهاية المحبة للماء في السائل ، والنهاية الكارهة للماء تندفع في الغاز ، مما يخلق حاجزًا بين الاثنين. يعمل هذا على استقرار الفقاعة عن طريق تقليل التوتر السطحي ومنعها من الظهور – وفي المشروبات الغازية – مساعدتها على الارتفاع بسلاسة
أدت إضافة المواد الخافضة للتوتر السطحي إلى إنشاء سلاسل فقاعية مستقرة ، لأنها تمنعها من الخروج عن الخط بفعل أعقاب الفقاعة في المقدمة. يُعتقد أن هذا هو السبب الرئيسي وراء ارتفاع فقاعات الشمبانيا في خط مستقيم – تعمل البروتينات الموجودة في الداخل كمواد خافضة للتوتر السطحي
قال البروفيسور زينيت: “النظرية هي أن هذه الملوثات التي تعمل كمواد خافضة للتوتر السطحي في الشمبانيا هي الأشياء الجيدة”.
“جزيئات البروتين هذه التي تضفي نكهة وتفردًا على السائل هي التي تجعل سلاسل الفقاعات التي تنتجها مستقرة.”
ولهذا السبب أيضًا ، على الرغم من صغر حجمها ، فإن الفقاعات في بعض أنواع البيرة ترتفع في سلاسل مستقيمة وثابتة – فهي تحتوي أيضًا على بعض البروتينات التي تعمل كمواد خافضة للتوتر السطحي.
تشكل الفقاعات في الماء الفوار دائمًا سلاسل غير مستقرة ، لأنها لا تحتوي على أي بروتينات خافضة للتوتر السطحي لحماية الفقاعات من استيقاظ بعضها البعض.
قال البروفيسور زينيت: “هذا الاستيقاظ ، اضطراب السرعة هذا ، يتسبب في إخراج الفقاعات”.
“بدلاً من وجود خط واحد ، ينتهي الأمر بالفقاعات إلى الظهور في شكل مخروط أكثر.”
بعد التجارب الفيزيائية ، ابتكر الباحثون أيضًا محاكاة حاسوبية للفقاعات في كل مشروب.
أخبرهم هذا عن مقدار المواد الخافضة للتوتر السطحي التي تدخل في فقاعات الغاز ، ووزن الفقاعات وسرعتها.
إنهم يأملون أن تساعد النتائج التي توصلوا إليها أولئك الذين يصممون خزانات التهوية وتقنيات الخلط الأخرى الناتجة عن الفقاعات.
قد يساعد الفهم المحسن لتدفقات الفقاعات أيضًا في تفسير تسربات المحيط ، حيث ينبثق غاز الميثان وثاني أكسيد الكربون من قاع البحر.
قال البروفيسور زينيت: “نحن مهتمون بكيفية تحرك هذه الفقاعات وعلاقتها بالتطبيقات الصناعية والطبيعة”.