2.76. Пузырьки в газированной воде, пиве и шампанском

Почему в газированной воде, пиве, шампанском и других газированных напитках пузырьки образуются после того, как открыли банку или бутылку? Почему они образуются в основном на внутренней поверхности сосуда, а не в самой жидкости? Почему они растут, двигаясь вверх, и почему (особенно в шампанском) пузырьки образуют шлейф, в котором они следуют друг за другом? Почему в шампанском пузырьки обычно поднимаются быстрее, чем в пиве? Почему, если вымыть стакан жидкостью для мытья посуды и высушить на воздухе, а потом налить в него газированный напиток, образования пузырьков почти не происходит?

Почему, если добавить в стакан только что налитого пива лед или соль, образуется так много пузырьков, что пиво может вылиться из стакана? Почему, если закрытую бутылку с газированным напитком хорошенько встряхнуть, содержимое фонтаном выльется из бутылки, когда вы ее откроете?

Шенди — смесь пива с каким-нибудь безалкогольным напитком, чаще всего с лимонадом или имбирным пивом. Если пиво наливать поверх лимонада, не произойдет ничего достойного внимания. Но если лимонад наливать поверх пива, вырывающиеся пузырьки могут переполнить стакан. В чем же разница?

Почему, если кружочки лайма положить в стакан с пивом, они несколько раз двигаются вверх и вниз? Когда пиво некоторых марок быстро наливают в стакан, почему по бокам стакана образуются двигающиеся вниз слои из пузырьков?

ОТВЕТ • Газированный напиток — жидкость, содержащая большое количество растворенного углекислого газа. Воду насыщают углекислым газом под давлением. Шампанское и пиво насыщаются газом в процессе брожения, но и в этом случае давление в бутылке достаточно велико. В бутылке шампанского оно может в шесть раз превышать нормальное атмосферное давление. (Если открывать бутылку шампанского недостаточно аккуратно, давление выталкивает пробку из бутылки, причем скорость пробки может достигать 50 км/ч. Этого более чем достаточно, чтобы серьезно повредить глаз.) Когда бутылку открывают, из нее выходит газ, давление внутри бутылки уменьшается, и весь углекислый газ уже не может удерживаться в растворе. Он выходит из раствора либо непосредственно через поверхность жидкости (если это возможно), либо образуя пузырьки.

Чтобы пузырек рос, его радиус должен быть больше некоторого критического значения. Поверхность пузырьков меньших размеров слишком искривлена, и поверхностное натяжение, стремящееся уменьшить его размер, не позволяет газу внутри пузырька раздуть его. Поверхность пузырьков большего радиуса искривлена меньше, и направленных внутрь сил, действующих со стороны молекул воды, недостаточно, чтобы пузырек схлопнулся. Однако едва ли пузырьки с радиусом больше критического образуются непосредственно в объеме жидкости: маленькие пузырьки не дорастают до нужного размера, а появление пузырьков с радиусом, равным или больше критического, маловероятно. Поэтому зародышеобразование (появление) пузырьков происходит только на поверхностях, главным образом на стенках и на дне бутылки (а также на любых твердых частицах внутри жидкости). Со временем количество углекислого газа в жидкости уменьшается настолько, что пузырьки перестают образовываться.

Наиболее часто зародышеобразование пузырьков объясняют так: предположим, на твердой поверхности есть царапина и на ней образовался пузырек-зародыш. Если царапина достаточно широкая, поверхность пузырька не слишком сильно искривлена и он не схлопывается. Более того, углекислый газ из жидкости постепенно наполняет пузырек, он раздувается, и, следовательно, увеличивается действующая на него подъемная сила. В конце концов пузырек увеличивается настолько, что значительная его часть отрывается от царапины и всплывает. А затем из газа, оставшегося в царапине, снова начинает расти новый пузырек.

Современные данные указывают на то, что в стакане с газированной водой большинство пузырьков зарождается не на царапинах, а на целлюлозных волокнах, прилипших к поверхности стакана, когда его в последний раз мыли и вытирали бумажным или матерчатым полотенцем. В этих полых волокнах, а также между ними имеется воздух, инициирующий образование пузырьков. Когда бутылку открывают, углекислый газ через открытые концы волокон просачивается в оставшиеся там пузырьки воздуха. Когда такой «объединенный» пузырек становится достаточно большим, часть его отрывается от одного из концов волокна и процесс повторяется. Если стакан не протирают бумагой или тканью или если его моют в посудомоечной машине и высушивают сухим воздухом, целлюлозных волокон, способствующих росту пузырьков, в стакане нет и, следовательно, образование пузырьков затруднено. В этом случае при первом наполнении стакана пузырьки могут появиться только благодаря турбулентности.

Когда, потянув вверх за петельку, открывают банку с газированным напитком, почти все пузырьки образуются на погрузившейся в жидкость поверхности петельки. (Посветив фонариком, загляните внутрь банки.) Вероятно, пузырьки на поверхности петельки начинают расти там, где к ней пристали какие-то соринки. Если из гигиенических соображений верх банки протереть бумагой или тряпкой, «соринками» станут и целлюлозные волокна.

На поверхности кубиков льда, брошенных в газированный напиток, кое-где остается воздух. Поэтому они могут играть ту же роль, что и волокна. Соль действует двояко, она не только инициирует образование пузырьков. Если посолить пиво, соль, попадая в раствор, уменьшает количество углекислого газа, которое может раствориться в этой жидкости, и его излишки быстро выходят наружу.

Пузырьки легче окружающей их жидкости, поэтому под действием выталкивающей силы оторвавшиеся от стенки или от волокон пузырьки устремляются вверх. Однако молекулы белков быстро налипают на них и, увеличивая гидродинамическое сопротивление, замедляют подъем пузырьков. В пиве, изобилующем белковыми молекулами, пузырьки тормозятся сильнее, чем в шампанском. Поэтому пузырьки в шампанском обгоняют пузырьки в пиве.

Если бутылку с газированным напитком встряхнуть, а затем сразу открыть, газ, обычно скапливающийся над жидкостью, смешивается с ней, образуя маленькие пузырьки. Когда давление уменьшается, углекислый газ наполняет эти пузырьки и может внезапно вырваться из раствора. Рост пузырьков бывает таким интенсивным, что жидкость вслед за пузырьками выливается, а иногда и бьет струей из бутылки. Чтобы не устраивать потоп, бутылку, которую только что встряхнули, надо оставить на какое-то время в покое, давая пузырькам возможность опять подняться к поверхности и лопнуть, а уж затем открывать. (Я не понимаю, как постукивание по бутылке может ускорить этот процесс, разве что каким-то образом это помогает оторвать от ее стенок прилипшие пузырьки.)

Образование пузырьков в шенди зависит от того, в каком порядке в кружку наливают пиво, в котором образовываются пузырьки, и, скажем, негазированный домашний лимонад. Если пиво налито на лимонад, сначала оно практически все собирается в виде слоя поверх лимонада. Основная доля пузырьков образуется в этом верхнем слое и может, как обычно, легко подняться на поверхность. Однако если лимонад наливают на пиво, пузырьки образуются в нижнем слое и, чтобы попасть наверх, они должны пройти через слой лимонада. Кроме того, какое-то количество лимонада просачивается вниз в пиво. Взвешенные в лимонаде частички (например, остатки мякоти лимона) становятся местами, где образуются свободные пузырьки. Короче говоря, скорость образования пузырьков увеличивается и все эти пузырьки, чтобы достичь поверхности кружки, должны проскочить через лимонад. В итоге быстро образуется пенная шапка, которая имеет большие шансы вылиться из кружки.

Когда в кружку наливают некоторые сорта пива, в нем с самого начала есть пузырьки. Когда эти пузырьки сталкиваются, они могут прилипать друг к другу, образуя плоские плоты из пузырьков, замедляющие их подъем. Плоты отделены друг от друга по вертикали на расстояние, величина которого зависит от того, насколько разнятся скорости подъема свободных пузырьков и плотов. (Плоты из пузырьков могут образовываться в базальтовой магме, и лава вытекает, если слои достаточно толстые, чтобы позволить поднимающимся пузырям образовать плоты прежде, чем они достигнут верхней поверхности слоя.)

Бытует мнение, что плоты вниз двигаться не могут. На самом деле это возможно по двум причинам. 1. Пузырьки в середине кружки поднимаются быстрее, чем по стенке, где их движение затруднено из-за трения о стенку и торможения на плотах. Поэтому в середине кружки жидкость вытягивается вверх поднимающимися пузырьками, что приводит к смещению вниз жидкости вблизи стенок. В результате вблизи стенок плоты опускаются. 2. Пузырьки, оторвавшиеся от верхушки плота, устремляются вверх к нижней границе следующего плота, находящегося выше. Значит, каждый плот теряет пузырьки со своей верхней поверхности, но прирастает пузырьками снизу, и поэтому центр плота движется вниз.