Това, че пилотите на изтребители често преминават звуковата бариера, е нещо, което е повече от ясно. Превишаването на тази скорост в други превозни средства обаче е много по-трудно. Автомобилите от Формула 1 например достигат много високи скорости, но не стигат толкова далеч.

Но има момент, когато пилот от Формула 1 може да надвиши скоростта на звука - когато отвори бутилка шампанско, за да отпразнува победата си.

Това наскоро бе демонстрирано от екип от френски учени в проучване, прието за публикуване в списанието Physics of Fluids на Американския институт по физика. Използвайки симулации на изчислителна динамика на флуидите (CFD - Computational Fluid Dynamics), изследователите разкриват драматична последователност от свръхзвукови ударни вълни, образуващи се, развиващи се и разсейващи се със свръхзвукова скорост, всичко това в рамките на първата милисекунда след отваряне на бутилка шампанско.

„Зад емблематичното „пук!“ придружаващото отпушването на бутилка шампанско се крие газов поток с изненадваща сложност”, пишат авторите. „Моделирането му е деликатно поради свръхзвуковата му природа, взаимодействието му с корковата запушалка, изключително нестабилния характер на потока, излизащ от бутилката, и непрекъснатата промяна на геометрията на изчислителната област на потока поради изместването на тапата.”

И така, какво точно се случва, когато отворим тапата? За нас, с нашето зрение с изненадващо ниска кадрова честота (FPS), това е прост процес на издърпване на запушалката и насочване на мехурчетата далеч от лицата на хората – но при свръхвисокоскоростно изображение започваме да виждаме много по-експлозивни детайли.

С високоскоростна камера могат да се уловят всички детайли, които човешкото око не може да открие. Така изследователите са установили, че ударните вълни на газа достигат скорости далеч над скоростта на звука и че процесите са подобни на тези при изстрелването на ракета или куршум.

_{Кредит: Wikimedia Commons}

Защо се използва високоскоростна камера?

Понякога може да звучи противоинтуитивно, че за да видите всички детайли на забавен каданс са необходими високоскоростни камери. 

Тези камери правят много кадъра за много кратко време. По този начин може да се видят всички подробности и да се изчисли скоростта на процеса.

В този случай може да се види как тапата на бутилката с шампанско постепенно се отделя. Първоначално тя все още спира газовия поток, след това взаимодейства с него и накрая се отдалечава. При този процес се генерират ударни вълни, които могат да надвишават скоростта на звука.

Но да видим как.

^{Времева последователност, показваща детайли от тапа, изхвърлена от гърлото на бутилка шампанско, съхранявано при 20°C, заснета чрез високоскоростна камера. Кредит: Gérard Liger-Belair}

Когато шампанското надхвърли скоростта на звука

Първоначално тапата не позволява на газовата смес вътре в бутилката да избяга – но когато я издърпаме, ударна вълна от газ във формата на корона се изстрелва около запушалката със скорост от близо 1500 километра в час – това е достатъчно по-бързо от скоростта на звука във въздуха (1234,8 км/ч).

Вълните се комбинират, образувайки феномен, наречен диамантена ударна вълна (Shock diamonds) – подходящо име за случая на луксозна напитка,  но това обикновено се случва в горивните колони на аерокосмическите двигатели, когато налягането на изхвърлените газове е различно от околното.

В крайна сметка се формира вълнов модел, характерен за ракетите и изтребителите.

^{Примери за диамантена ударна вълна.}

_{Диамантена ударна вълна}.

^{Как се образуват диамантени ударни вълни в свръхзвукови двигатели. Кредит:
Francisco Alario Salom}

Първоначално ударните вълни могат да достигнат 1500 км/ч.

Но процесът продължава. Две трети от милисекунда по-късно се образува съвсем различен тип ударна вълна. В този момент тапата се е преместила достатъчно далеч от бутилката, за да позволи цилиндричен, а не радиален газов поток - но все още не достатъчно далеч, за да се измъкне от пътя на газа. И когато това се случи, при прехода от свръхзвукови до дозвукови скорости, се получава нещо, наречено главна ударна вълна (Bow shock). Този тип вълни се срещат по-често при космически явления или когато куршум напусне огнестрелно оръжие.

^{Главна ударна вълна (Bow shock) по време на изстрелване на ракета Ares I-X (НАСА, 28.10.09) Кредит: NASA's Marshall Space Flight Center}

„Искахме да характеризираме по-добре неочаквания феномен на свръхзвуков поток, който се случва по време на отваряне на бутилка шампанско“, коментира съавторът Робер Жорж (Robert Georges). "Надяваме се, че нашите симулации ще предложат някои интересни насоки на изследователите и да видят в обикновената бутилка шампанско мини-лаборатория."

Една бутилка шампанско е много лесно достъпна, а с нея може да се изучават различни много по-сложни явления. Това изследване има много реални приложения, в толкова разнообразни области като балистиката, производството на електроника, вятърните турбини и дори изследването на океана.

Дори и да не сте пилот от Формула 1 или спортист, със сигурност в един момент, в не много далечно бъдеще, ще отворите бутилка шампанско. Когато го направите, не забравяйте, че може да превишите скоростта на звука. Още причини да избягвате да извадите нечие око.

Справка: Computational Fluid Dynamic simulation of the supersonic CO2 flow during champagne cork popping
Abdessamad Benidar, Robert Georges, Vinayak Narayan Kulkarni, Daniel Cordier and Gérard Liger-Belair
Physics of Fluids (in press) (2022); https://doi.org/10.1063/5.0089774

Източник: Why Your Wedding Almost Certainly Broke The Speed Of Sound, DR. KATIE SPALDING,  IFL Science

Още по темата

28/02/2022

Космос

Астрономи виждат огромна ударна вълна, 60 пъти по-голяма от Млечния път

21/05/2019

Физика

Постигнат е рекорд за възможно най-интензивен звук под вода

24/01/2017

Физика

За първи път е заснет фотонен конус, светлинен аналог на звуковата ударна вълна (видео)

14/07/2016

Космос

Чуйте как Juno влиза в магнитосферата на Юпитер (видео)