Ierse wiskundigen lossen het Guinness Sinking Bubble-probleem op

Een van de meer intrigerende raadsels in de vloeistofdynamica is het raadselachtige gedrag van bubbels in Guinness, de beroemde Ierse stout.

Zoals veel drinkers zullen beamen, lijken de bubbels in Guinness te zinken naarmate de drank bezinkt en de schuimkraag zich vormt. Hoe kan dit, aangezien bellen minder dicht zijn dan de omringende vloeistof en dus zouden moeten stijgen?

In de afgelopen tien jaar zijn natuurkundigen begonnen dit probleem uit elkaar te halen. Onlangs hebben ze aangetoond dat het niet de bellen zijn die zinken, maar de vloeistof, die circuleert op een manier die naar beneden bij de glazen wanden en naar boven in het interieur is. Zolang de neerwaartse stroom van de vloeistof sneller is dan de opwaartse beweging van de bellen, lijken ze te zinken.

Maar dat blijft een raadsel: waarom circuleert de vloeistof op deze manier?

Vandaag onthult een toegewijd team van Ierse wiskundigen het antwoord. Eugene Benilov, Cathal Cummins en William Lee van de Universiteit van Limerick zeggen dat het laatste stukje in deze puzzel de vorm van het glas is, dat een cruciale invloed heeft op de bloedsomlooppatronen in de vloeistof.

Om te begrijpen hoe, onthoud eerst dat de beweging van elke bel een rem uitoefent op de vloeistof eromheen. Stel je nu eens voor wat er zou gebeuren als er een vloeistofgebied zou zijn met minder bellen in de buurt van de wand van een pintglas en bijgevolg een gebied met een hogere bellendichtheid nabij het midden van het glas.

Benilov en co zeggen dat de weerstand hoger zal zijn in het gebied waar de bellendichtheid hoger is, met andere woorden nabij het midden van het glas. Hierdoor ontstaat er een onbalans waardoor een circulatiepatroon ontstaat waarbij de vloeistof in het midden van het glas naar boven stroomt en bij de wanden naar beneden.

Dat is precies zoals waargenomen in een pint Guinness. Maar wat veroorzaakt het gebied met lage bellendichtheid in de buurt van de glazen wanden in de eerste plaats?

Benilov en co stellen zich voor dat om te beginnen de bubbels gelijkmatig door de vloeistof worden verdeeld. In een perfecte cilinder zouden ze gewoon samen stijgen. De bellen in elk volume vloeistof worden van onderaf gestaag aangevuld.

Maar stel je een container voor die smaller is aan de onderkant en breder aan de bovenkant, zodat de wanden schuin omhoog komen, zoals in een pintglas. In dit geval creëert de simpele handeling van het opstijgen van bellen een gebied met een lage bellendichtheid naast de schuine wand omdat de bellen eronder niet gestaag worden aangevuld.

Daarentegen is de bellendichtheid hoger in het midden van het glas omdat de bellen van onderaf worden aangevuld.

Dat zou precies het circulatiepatroon opzetten dat wordt waargenomen, zeggen Benilov en co.

Dit effect staat in de sedimentatietheorie bekend als het Boycot-effect. Het werd voor het eerst waargenomen in reageerbuizen met rode bloedcellen toen werd ontdekt dat sedimentatietijden aanzienlijk konden worden verkort door de reageerbuizen te kantelen, zeggen Benilov en co.

Deze jongens hebben zelfs een computermodel van bubbelgedrag in Guinness gemaakt dat hun denken bevestigt.

De kers op de taart is echter dat er een eenvoudig experiment is dat de theorie gemakkelijk kan bevestigen.

Experimenten zijn meestal niet het domein van wiskundigen. Maar Benlivo en co demonstreren moed die verder gaat dan de roep van wiskundige plicht door het experiment uit te voeren waarin ze dapper Guinness in een cilinder gieten. Als de container wordt gekanteld, zullen bellen worden waargenomen die naar boven bewegen bij het bovenoppervlak en naar beneden bij het onderoppervlak, zeggen ze.

Ze hebben zelfs een video van dit experiment gemaakt die je kunt download hier (avi) .

De essentie van experimentele wetenschap is natuurlijk herhaalbaarheid. Veel lezers zullen niet tevreden zijn met louter visueel bewijs uit een video, maar zullen erop aandringen dit experiment op hun eigen voorwaarden te herhalen, misschien in een hostel naar eigen keuze. Juist.

Maar als je voor deze route kiest, bedenk dan dat dit werk niet helemaal grillig is. Het begrijpen van dit soort bubbels is belangrijk voor een aantal toepassingen, zoals het vervaardigen van champagneglazen die zijn gegraveerd met kiemplaatsen, en widget- en soortgelijke technologieën voor het bevorderen van schuimvorming in stouts, zeggen Benilov en co.

Guinness-drinkers (en servers) zullen zich ook bewust zijn van een ander probleem dat hen plaagt: de tijd die nodig is om een ​​pint Guinness te laten bezinken, die aanzienlijk langer is dan bij de meeste ales en lagers.

Kan dit werk het mogelijk maken om pintglazen opnieuw te ontwerpen op een manier die stouts aanmoedigt om sneller te settelen?

We zullen de toekomstige ontwikkelingen op de voet volgen.

Referentie: arxiv.org/abs/1205.5233 : Waarom zinken bubbels in Guinness?

zich verstoppen