Waarom stijgen de bubbels in sommige koolzuurhoudende dranken, zoals champagne, in een min of meer rechte lijn op en bewegen ze in andere drankjes, zoals bier, veel chaotischer? Een bruisend experiment van Franse en Amerikaanse natuurkundigen levert een verklaring op die ook nuttig kan zijn voor technologische toepassingen.
Wie wel eens goed heeft opgelet tijdens een borrel of op een zomers terras zal het verschil in het gedrag van de belletjes in koolzuurgashoudende drankjes vast herkennen. In een glaasje prosecco of champagne stijgen ze elegant op, in ‘treintjes’ die in een keurig rechte lijn omhoog bewegen. In een glas bier of frisdrank is de situatie meestal minder netjes en schieten de gasbelletjes alle kanten op. Heeft dat simpelweg met de andere vorm van het glas te maken of toch ook met de eigenschappen van de drank zelf?
Franse en Amerikaanse natuurkundigen hebben het uitgezocht. De resultaten van hun experiment, die vorige week in vakblad Physical Review Fluids zijn gepubliceerd, wijzen erop dat het gedrag van de koolzuurgasbellen vooral afhankelijk is van de drank.
Dit is hoe we wiskundefobie te lijf kunnen gaan
Sarah Hart vertelt hoe we de angst voor getallen en formules weg kunnen nemen.
De wetenschappers ontdekten dat twee zaken bepalen hoe belletjes zich door een drank bewegen: de omvang van de bubbels én de aanwezigheid van zogeheten surfactanten, stoffen die invloed hebben op de oppervlaktespanning van een vloeistof. ‘Dat zijn in dranken de eiwitmoleculen die ze smaak en eigenheid geven en er bovendien voor zorgen dat de bubbelketens stabiel blijven’, zegt Roberto Zenit van de Brown Universiteit in Providence in de Amerikaanse staat Rhode Island, die meewerkte aan de studie.
De onderzoekers achterhaalden dit door met een aantal drankjes – waaronder bruiswater, bier en champagne – aan de slag te gaan in het lab. Ze schonken de vloeistoffen in een rechthoekig bakje, waarin de routes die de gasbelletjes aflegden duidelijk zichtbaar waren. Via een naaldje op de bodem konden gasbelletjes van verschillende groottes in de drank worden geblazen. Ook de hoeveelheid surfactanten in de vloeistof kon worden beïnvloed.
Bellenkielzog
Uit de proeven bleek dat er twee manieren bestaan om van een chaotische, ‘instabiele’ keten van belletjes een ‘stabiel’ recht bubbeltreintje te maken: door grotere bubbels in de vloeistof te pompen of door surfactanten toe te voegen. Het lukte de onderzoekers in bier en water stabiele bubbelketens te maken die normaal aan champagne en vergelijkbare drank zijn voorbehouden.
De verklaring voor het gedrag van de bellen werd gevonden in het ‘kielzog’ van de bubbels. Dit is het turbulente gebiedje achter het gasbelletje dat door de vloeistof beweegt, vergelijkbaar met de slipstream van een auto. Uit het experiment en aanvullende computersimulaties blijkt dat in vloeistoffen met weinig of geen surfactanten het kielzog van de gasbelletjes een ‘zigzagpatroon’ heeft. Dat zorgt voor wervelingen die de achtervolgende belletjes aan de kant duwen en de belletjesketen ontregelen. ‘De bellen bewegen meer als een kegel omhoog, in plaats van in een rechte lijn’, legt Zenit uit.
De surfactanten – die de spanning tussen de vloeistof en het gas verminderen – zorgen daarentegen voor belletjes met een kielzog dat andere bubbeltjes ‘meezuigt’ in hun pad. Hiervoor volgen de belletjes elkaar netjes en blijft de bubbelketen stabiel. In mousserende wijn met een grote concentratie smaakgevende surfactanten, levert dit elegante bubbeltreintjes op.
Meer dan een leuk weetje
De omvang van de belletjes blijkt van vergelijkbare invloed op hun kielzog. Waar kleine bubbels een zigzagpatroon laten zien, heeft het kielzog van grote bubbels een zuigende werking die ook in de vloeistoffen met veel surfactanten bij kleinere belletjes is te zien. Voor bier, waarin de omvang van de koolzuurgasbellen en de hoeveelheid surfactanten per brouwsel kunnen verschillen, levert dat uiteenlopende eindresultaten op, waardoor het ene biertje wel rechte bubbelketens bevat en het ander juist niet.
De nieuwe inzichten leveren volgens de onderzoekers meer op dan simpelweg een leuk weetje om te vertellen tijdens een borrel. Zo kan het helpen bij het verbeteren van technieken om gassen te mixen met vloeistoffen, wat van belang is in sommige waterzuiveringsinstallaties. Ook kan het zorgen voor een beter begrip van bepaalde natuurlijk processen, zoals opborrelde gassen uit de oceaanbodem. ‘Ons masterplan is, door ons te richten op champagne en bier, mensen te laten inzien dat vloeistofmechanica belangrijk is in hun dagelijks leven’, aldus Zenit.
