Irländska matematiker löser problemet med Guinness Sinking Bubble

En av de mer spännande gåtorna inom vätskedynamik är bubblornas förbryllande beteende i Guinness, den berömda irländska stouten.

Som många drinkare kommer att intyga verkar bubblorna i Guinness sjunka när drycken lägger sig och huvudet formas. Hur kan detta vara, med tanke på att bubblorna är mindre täta än den omgivande vätskan och därför borde stiga?

Under de senaste tio åren eller så har fysiker börjat plocka isär detta problem. Senast har de visat att det inte är bubblorna som sjunker utan vätskan, som cirkulerar på ett sätt som är nedåt nära glasväggarna och uppåt i det inre. Så länge det nedåtgående flödet av vätskan är snabbare än bubblornas uppåtgående rörelse, kommer de att verka sjunka.

Men det lämnar fortfarande ett pussel: varför cirkulerar vätskan på detta sätt?

Idag avslöjar ett dedikerat team av irländska matematiker svaret. Eugene Benilov, Cathal Cummins och William Lee vid University of Limerick säger att den sista biten i detta pussel är formen på glaset, som har ett avgörande inflytande över cirkulationsmönstren i vätskan.

För att förstå hur, kom först ihåg att varje bubblas rörelse utövar ett tryck på vätskan runt den. Föreställ dig nu vad som skulle hända om det fanns ett område av vätska som innehåller färre bubblor nära väggen på ett halvliters glas och följaktligen ett område med högre bubbeldensitet nära mitten av glaset.

Benilov och co säger att luftmotståndet blir högre i den region där bubbeltätheten är högre, med andra ord nära glasets mitt. Detta skapar en obalans som skapar ett cirkulationsmönster där vätskan strömmar uppåt i mitten av glaset och nedåt nära väggarna.

Det är exakt som observerats i en pint Guinness. Men vad orsakar området med låg bubbeldensitet nära glasväggarna i första hand?

Benilov och co föreställer sig att bubblorna till att börja med fördelas jämnt i vätskan. I en perfekt cylinder skulle de helt enkelt stiga ihop. Bubblorna i varje volym vätska fylls stadigt på underifrån.

Men tänk dig en behållare som är smalare i botten och bredare upptill så att väggarna reser sig i vinkel, som i ett halvlitersglas. I det här fallet skapar den enkla handlingen att bubblor stiger ett område med låg bubbeldensitet bredvid den vinklade väggen eftersom bubblorna inte stadigt fylls på under.

Däremot är bubbeldensiteten högre i mitten av glaset eftersom bubblorna fylls på underifrån.

Det skulle sätta upp exakt det cirkulationsmönster som observeras, säger Benilov och co.

Denna effekt är välkänd inom sedimentationsteorin som bojkotteffekten. Det observerades första gången i provrör som innehöll röda blodkroppar när man upptäckte att sedimentationstiderna kunde minskas avsevärt genom att luta provrören, säger Benilov och co.

Dessa killar har till och med skapat en datormodell av bubbelbeteende i Guinness som bekräftar deras tänkande.

Pricken över i:et är dock att det finns ett enkelt experiment som lätt kan bekräfta teorin.

Experiment är vanligtvis inte matematikernas område. Men Benlivo och co visar tapperhet bortom kravet på matematisk plikt genom att faktiskt utföra experimentet där de modigt häller Guinness i en cylinder. Om behållaren lutar, kommer bubblor att observeras röra sig uppåt nära dess övre yta och nedåt nära dess nedre yta, säger de.

De har till och med skapat en video av detta experiment som du kan ladda ner här (avi) .

Naturligtvis är essensen av experimentell vetenskap repeterbarhet. Många läsare kommer inte att nöja sig med enbart visuella bevis från en video, utan insisterar på att upprepa detta experiment på sina egna villkor, kanske i ett gästhem som de själva väljer. Ganska rätt.

Men om du väljer den här vägen, kom ihåg att det här arbetet inte är helt nyckfullt. Att förstå dessa typer av bubbliga flöden är viktigt för ett antal tillämpningar, såsom tillverkning av champagneglas graverade med kärnbildningsplatser, och widget och liknande teknologier för att främja skumbildning i stouts, säger Benilov och co.

Guinness-drickare (och servrar) kommer också att vara medvetna om ett annat problem som plågar dem – tiden det tar för en pint Guinness att lösa sig, vilket är betydligt längre än med de flesta öl och lager.

Kan detta arbete göra det möjligt för pintglas att göras om på ett sätt som uppmuntrar stouts att bosätta sig snabbare?

Vi kommer att följa den framtida utvecklingen noga.

Ref: arxiv.org/abs/1205.5233 : Varför sjunker bubblor i Guinness?

Dölj