如何科学地浪费朋友手中的啤酒


撰文丨Phil Dooly
翻译丨于颖卓
编辑丨杨心舟


酒吧里经常会出现一种恶作剧,敲一下朋友的啤酒瓶口,啤酒就会携带大量泡沫突然喷涌而出。一些人觉得非常好玩,另一些人会为此生气,而西班牙物理学家哈维尔·罗德里格斯-罗德里格斯(Javier Rodríguez-Rodríguez)则对这一现象产生了强烈的好奇。


罗德里格斯来自马德里卡洛斯三世大学(University Carlos III of Madrid),他曾对这一奇怪的现象展开了研究。在这一过程中,他发现一杯啤酒中竟然隐藏着许多复杂的物理学问题,能够帮助科学家们理解火山爆发乃至小行星形成的一系列物理过程。


“啤酒杯中有着各种各样的物理现象,每一次你喝啤酒时,这些物理原理都会展现在你面前。”罗德里格斯表示。为了研究自由落体微重力环境下啤酒中气泡的形成过程,他甚至让自己的博士生将啤酒从100米高塔上扔了下去。


他和罗伯特·泽尼特(Robert Zenit)一起在《今日物理》上发表了一篇综述文章,讲述了有关啤酒的各种真相,里面这样写道:“含二氧化碳的饮料是一种便携式实验室,能够以有趣的方式展示自然界和工业中存在的各种流体是如何运作的。”


啤酒之所以能够展示许多物理过程,是因为它在发酵过程中会产生二氧化碳,并最终成为饱和的二氧化碳溶液我们平时喝的碳酸饮料也同样充斥着二氧化碳,不过其是利用外力加压将二氧化碳充入液体。


而酿造啤酒的时候,是由酵母发酵释放出微小的二氧化碳气泡,从而逐渐增加了瓶内的压力。一部分二氧化碳气体溶解到了啤酒中,溶解量则由亨利定律(Henry’s law)决定:即压力越高,气体溶解越多


打开酒瓶的瞬间,压力被释放,液体中能够溶解的气体量也减少了,也就是说溶液中的二氧化碳变得过饱和了。不过想要转变这种过饱和状态还需要一点儿时间。大概几个小时后,二氧化碳持续释放直到达到新的平衡点,也就是常说的啤酒“没气”了。


而这一过程中,人们可以通过控制气体释放的速度来制造许多有趣的现象,啤酒敲击恶作剧就是其中之一。


图片来源: Morgan Walker


罗德里格斯第一次有关这一现象的研究发表在了《物理评论快报》上,并揭示了啤酒会突然喷发,主要是液体中由下向上移动的压力波导致的。


因为当你突然敲打啤酒瓶口时,啤酒由于惯性有一瞬间是相对静止的。这种影响对于瓶侧的啤酒来说影响不大,因为玻璃瓶侧壁会从啤酒旁边划过,始终能给啤酒稳定的侧面压力。

然而,这一行为对位于底部的啤酒来说影响就很大了,啤酒瓶底部瞬间下移,而啤酒暂时保持静止,因此瓶底的啤酒受到的压力会突然下降。并且这片低压区会不断往上延伸,这意味着二氧化碳的溶解度会迅速下降,啤酒会形成大量的二氧化碳气泡。


而当惯性结束时,瓶中的啤酒很快也开始向下运动,当碰触到啤酒瓶底部时液压也得以恢复。这突如其来的高压粉碎了刚刚形成的气泡,把它们变成了上百万个更小的气泡。


图片来源:罗德里格斯实验室 


这时,这些气泡会呈云状开始上升,并在上升过程中吸收更多的二氧化碳,变得更大。只需一到两秒,它们就能到达顶部并且以泡沫的形式溢出。这片气泡云的上升过程主要依赖于气泡的浮力,因此罗德里格斯开始思考零重力环境下会发生什么。


当然他们没有将啤酒送入太空,而是决定从德国不来梅应用空间技术和微重力中心(ZARM)的100米高的试验塔上扔下一些啤酒。


为了开展实验,他们不得不寻找一种替代液体。“我们不能使用啤酒,” 罗德里格斯说,“因为啤酒会将实验室弄得很脏。”最终,他们使用富含碳酸的水作为了替代品,因此研究团队可以观察到微重力环境下气泡云在液体里的生成、移动与变化,并获得这一过程的高速录像。


另外,罗德里格斯的研究还探索了宇航员能否喝啤酒或者碳酸饮料这一重要问题,毕竟,宇航员可能偶尔也想喝点含气饮料。但是,在太空失重的情况下喝碳酸饮料,真的没问题吗?


在地表上,由于气泡存在浮力,因此碳酸饮料的气体能够在胃里升起并被排出,但罗德里格斯指出,在零重力环境下,气泡就不具有浮力了。


“气泡无法从消化系统内的液体中上浮并逃逸,而是留在原地形成更大的气泡,因而会导致胃肠道胀痛。所以,在太空失重的环境下可不能喝气泡饮料!”他和泽尼特在他们的综述文章中写道。


罗德里格斯承认有时候会将做实验用的啤酒喝掉,但他也表示自己没有使用政府研究基金来做这件事。他说研究经费中不允许有酒精消费,所以他用自己的钱购买了所有用于实验的啤酒。


“我把这笔钱称作是是罗德里格斯进步基金。”他补充道。他们在微重力条件下的实验结果现在正在准备之中,并将很快向期刊投稿。

原文链接:
https://cosmosmagazine.com/physics/in-lager-veritas-the-physics-of-beer



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