Een computersimulatie laat tot in de kleinste details zien wat er gebeurt in de microseconden na het ontkurken van een fles champagne: er ontstaan verschillende soorten schokgolven, waarna de de glazen gevuld kunnen worden.
Bij het ontkurken van een koude fles champagne komt koolzuurgas vrij in een reeks schokgolven, waarvan een aantal sneller reizen dan de geluidssnelheid.
Het ontkurken van champagne lijkt misschien eenvoudig, maar uit hogesnelheidsbeelden is eerder al gebleken dat koud koolzuurgas onder hoge druk ontsnapt in een reeks stappen die gecompliceerder is dan verwacht. ‘Champagne kun je zien als een minilaboratorium voor de vloeistoffysica’, zegt natuurkundige Robert Georges van de Universiteit van Rennes 1 in Frankrijk.
Dit is hoe we wiskundefobie te lijf kunnen gaan
Sarah Hart vertelt hoe we de angst voor getallen en formules weg kunnen nemen.
Schokgolven
Georges en zijn collega’s simuleerden het ontkurken van een champagnefles op een computer om de snelheid en vorm te bepalen van de schokgolven die daarbij worden gevormd. Hun simulatie bestond uit een fles, een gasstraal die eruit ontsnapt en de kurk van de fles die eruit vliegt en voor het gas uit blijft bewegen. De computer loste de Navier-Stokes-vergelijkingen op, een reeks bekende maar berucht lastige wiskundige vergelijkingen die beschrijven hoe koude vloeistoffen stromen die onder een bepaalde druk staan en die wanden en obstakels tegenkomen.
Het team ontdekte dat het gas direct na de kurkknal niet genoeg ruimte heeft om recht naar buiten te schieten. Daardoor vormt het een snelle, cirkelvormig uitdijende schokgolf die op een kroon lijkt.
Twee derde milliseconde later beweegt de kurk ver genoeg weg van de flessenhals om het gas een cilindrische supersonische straal te laten vormen. Het gas blijft uit de fles komen en botst frontaal op de kurk, waardoor het vertraagt en een golf achter de kurk vormt.
Kleine explosie
Na een hele milliseconde heeft genoeg gas de fles verlaten om de druk in de fles aanzienlijk te laten dalen, zodat de koolstofdioxidestroom vertraagt. Daarna komt de champagne tot rust en kun je het spul in glazen schenken.
De snelste gasstromen ontstonden helemaal aan het begin van het ontkurken en bereikten snelheden van bijna 1500 kilometer per uur, ongeveer 20 procent sneller dan de geluidssnelheid.
De precieze details van het ontkurken van de champagne kunnen onderzoekers helpen bij het beter begrijpen van technologie waarbij supersonische stromen een rol spelen, zoals bij raketten waarvan de motoren supersonisch gas uitstoten, of bij bijvoorbeeld supersonische onderzeeërs.
Georges en zijn collega’s zijn van plan hun simulaties in de toekomst gedetailleerder te maken, door flessen met verschillende temperaturen, vormen en afmetingen te modelleren.
