Hay una razón por la que las burbujas de champán se elevan en claras líneas rectas

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¿Alguna vez has mirado tu copa de champán en una fiesta y has quedado hipnotizado por la interminable y uniforme marcha de burbujas que se elevan desde la base de la copa?

Si es así, comparte esa experiencia con un grupo internacional de investigadores, que decidieron investigar por qué las burbujas en las bebidas carbonatadas se comportan como lo hacen.

Se sintieron inspirados a investigar esta cuestión no sólo por la antigua curiosidad, sino también porque existe una amplia gama de razones prácticas para estudiar las cadenas de burbujas, dijo Roberto Zenit, profesor de ingeniería en la Universidad de Brown y coautor del artículo. el estudio.

"Esta investigación es importante para responder preguntas sobre fenómenos naturales y aplicaciones industriales donde el movimiento de las burbujas es importante", dijo Zenit, cuyo grupo de investigación ha estudiado durante mucho tiempo la dinámica de las burbujas, en este caso, "cómo se mueve un volumen de gas dentro de un líquido" dentro de un flujo burbujeante de dos fases.

Los flujos de dos fases desempeñan un papel en una variedad de procesos, desde la producción de penicilina hasta las filtraciones oceánicas o las burbujas de metano que emergen del fondo del océano, explicó Zenit. Dijo que desentrañar el misterio de la dinámica de las burbujas es clave para comprender estos sistemas.

"Básicamente, es sólo una excusa para explicar los flujos burbujeantes en la vida cotidiana", dijo.

Para descifrar el código, Zenit y sus colegas observaron burbujas dentro de varios líquidos, incluidos agua con gas, cerveza y champán, y utilizaron simulaciones numéricas para calcular la medición cuantitativa de las fuerzas dentro de ellos, como la velocidad de las burbujas y el fluido que las rodea.

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¿Su gran conclusión? Una forma en que las burbujas pequeñas pueden permanecer en una cadena estable, como se ve en una copa de champán, es si el líquido por el que se mueven contiene moléculas que se adhieren a su superficie, lo que hace que las burbujas sean más rígidas.

"Además de una nueva forma de apreciar una copa de champán, estos hallazgos nos acercan un paso más a la comprensión de la complicada física detrás de los líquidos burbujeantes", dijo Carmen Lee, investigadora postdoctoral en física de la Universidad Estatal de Carolina del Norte que no participó en el estudio. , dijo a PBS NewsHour por correo electrónico. Añadió que los líquidos burbujeantes tienen "una amplia gama de aplicaciones".

Pero, ¿qué significa realmente todo esto? Responder a esa pregunta requiere un breve curso intensivo de física. Así es como las burbujas de champán realizan su baile elegante y prolijo, y por qué los hallazgos de esta investigación son importantes para otras industrias.

Las bebidas carbonatadas como el champán son ejemplos deflujo de dos fases . El término “fase” en este caso se refiere a estados de la materia; Las dos fases del champán son el líquido en sí y el gas dióxido de carbono disuelto responsable de las burbujas.

Hay algunas cosas clave para entender este flujo. Uno esdeformación , o el efecto de la aplicación de una fuerza a un material. Si te pones una banda elástica alrededor de los dedos y la estiras, ese es un ejemplo de deformación. Por otro lado, una fuerza aplicada a un líquido da como resultado un flujo o una deformación continua.

"Esa deformación continua es lo que llamamos flujo, y eso es lo que hacen los líquidos", dijo Zenit. “Para llevar agua a tu casa, aplicas esta fuerza usando una bomba y eso provoca el flujo”.

Cuando las burbujas viajan a través de un líquido, pueden experimentar deformaciones. Las burbujas pequeñas suelen mantener su forma esférica, mientras que las burbujas grandes son más propensas a este fenómeno. Esto se debe a que la presión se desarrolla alrededor de los objetos a medida que se mueven a través del líquido, y esa presión se convierte en fuerza cuando se aplica a través de su superficie, explicó Zenit.

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Presiónes lo que es responsable de deformar las burbujas, añadió, pero si tiene éxito depende de latensión superficial de la burbuja en cuestión. Si la fuerza de tensión superficial es mayor que la fuerza de presión (como ocurre con las burbujas más pequeñas), no se deformará. Pero si la presión es mayor que la tensión superficial, las burbujas pueden deformarse, afirmó Zenit.

Otro factor importante:vorticidad, una medida de la rotación de las partículas del fluido, o el remolino que sigue a un objeto mientras se mueve a través de un líquido.

"Una burbuja, cuando se eleva en un líquido, tiene una estela, un rastro de movimiento detrás de ella...", dijo Zenit. "Básicamente, el fluido dentro de la estela está girando".

La estela de una burbuja determina lo que sucede con la que viene después. Lo que nos lleva a la pregunta de cómo las burbujas permanecen o no en una cadena estable. En Champagne, la clave del comportamiento de las burbujas reside entensioactivos, o moléculas de sabor que se encuentran naturalmente en el líquido.

Cuando estas moléculas de sabor se unen a la superficie de las pequeñas burbujas del champán, esas superficies se vuelven rígidas en un proceso llamadoinmovilización de superficie . Cuando eso sucede, la cantidad de deformación que causan las burbujas a medida que se mueven a través del champán aumenta, creando una mayor cantidad de vorticidad a su paso.

Esto induce unafuerza de sustentación negativa que mantiene cada burbuja alineada con la que está encima. Sin tensioactivos, las pequeñas burbujas del champán no tendrían suficiente vorticidad para crear la fuerza de elevación negativa que allana el camino para las ordenadas cadenas de burbujas.

Animación de Megan McGrew/PBS NewsHour

En líquidos como la cerveza, las burbujas crean una menor cantidad de vorticidad y generan unafuerza de sustentación positiva , lo que significa que cualquier burbuja que se acerque a otra que esté encima será eliminada, creando una especie de forma de cono. En este caso, la fuerza de sustentación se vuelve desestabilizadora en lugar de estabilizadora, dijo Zenit.

Las burbujas de la cerveza a veces son estables, añadió, pero otras veces no lo son. Sería necesaria más investigación para comprender qué moléculas son responsables de influir en ellos de una forma u otra.

"En el caso del champán, las burbujas pequeñas permanecen estables gracias a los tensioactivos, y en otros casos, las burbujas grandes sin tensioactivos también serían estables", dijo Zenit. “Así que hay dos maneras de ganar estabilidad. Uno es por el tamaño, por la deformación, y el otro es por la inmovilización de la superficie debido a los surfactantes”.

Las conclusiones que Zenit y sus colegas llegaron en su investigación no son necesariamente nuevas, dijo Jesse Capecelatro, profesor asociado en los departamentos de ingeniería mecánica y aeroespacial de la Universidad de Michigan que no participó en esta investigación, a PBS NewsHour por correo electrónico. Pero los autores del estudio "parecen proporcionar evidencia cuantitativa por primera vez", afirmó.

Capecelatro también señaló que la forma del vidrio, que no se abordó en el estudio, también podría influir en los patrones de circulación en el flujo, lo que a su vez afectaría la estabilidad de la burbuja.

Explorar si las burbujas permanecen estables o no son ejemplos de la misma física que determina lo que sucede en el fondo del océano o dentro de un pozo petrolero.

Los reactores de columna de burbujas están “en el corazón de muchos procesos industriales múltiples”, señaló Capecelatro, incluida la producción de algas y la gestión de residuos. En estos reactores, explicó, las burbujas a menudo se mueven en un “régimen heterogéneo” definido por patrones aleatorios y grandes grupos que influyen en cómo se mezclan con los líquidos que las rodean y, a su vez, en qué tan bien funcionan.

"La tendencia de las burbujas a agruparse o moverse en patrones caóticos es difícil de predecir y diseñar, y conocimientos como este pueden ayudar a los ingenieros a diseñar reactores óptimos", dijo Capecelatro.

Los diferentes tipos de comportamiento de las burbujas tienen diversos usos, ya sea que sean inestables y estén dispersos dentro de un líquido o que se muevan en una línea estable en una sola fila. Las burbujas inestables causan mucha agitación en un líquido en comparación con las cadenas estables, dijo Zenit.

Una mejor comprensión de ambos fenómenos (además de poder predecir si las burbujas serán estables o inestables en función de un determinado conjunto de condiciones) puede permitir a los ingenieros planificar en consecuencia y aprovechar sus diversas aplicaciones industriales.

"La capacidad de predecir lo que sucederá es lo que te brinda esta comprensión fundamental de la física", dijo Zenit.

Así que la próxima vez que te sientes a tomar una bebida carbonatada, tómate un momento para apreciar el pequeño laboratorio en tu vaso.

Izquierda: La próxima vez que te sientes a tomar una bebida carbonatada, tómate un momento para apreciar el pequeño laboratorio en tu vaso. Foto vía Getty Images

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Bella Isaacs-Thomas es reportera digital en el escritorio científico de PBS NewsHour.