Шампанское по праву заслужило репутацию главного новогоднего напитка. Без разливаемого по бокалам игристого вина почти невозможно представить застолье в преддверии самого яркого праздника года. Но не меньшую роль, чем на зимнем полуночном торжестве, шампанские вина играют в научных исследованиях. Почему — читайте в нашем материале.
Наследие древних традиций
Шампанское — алкогольный напиток, наполненный пузырьками углекислого газа (CO2). Благодаря этой особенности в закрытом сосуде с шампанским создается давление, значительно превышающее атмосферное, поэтому откупоривание бутылки с этим напитком часто сопровождается характерным вылетом пробки и вытеснением части вина из горлышка.
Шампанское — напиток с древней историей, ставший непременным атрибутом новогоднего торжества.
Фото: freepik / фотобанк Freepik
Производство шампанского — сложный агротехнический, технологический и биохимический процесс. Сначала из свежесобранного винограда отжимается сок. Затем его подвергают процессу спиртового брожения, добавляя в сок дрожжи. Под их воздействием содержащаяся в соке глюкоза превращается в этиловый спирт (основной «действующий компонент» алкоголя) и углекислый газ. Дополнительно может производиться яблочно-молочное брожение полученного напитка, помогающее снизить уровень кислотности будущего шампанского. В результате виноделы получают так называемое тихое сухое вино.
Далее осуществляется процесс шампанизации, при котором несколько «тихих» вин разного происхождения и разных годов смешиваются и разливаются по бутылкам, после чего в сосуды добавляется тиражный ликер — смесь старого вина, тростникового сахара и обработанных дрожжей. Затем в бутылках в течение восьми-десяти недель происходит повторное брожение напитка, в результате которого вино становится игристым, наполняясь пузырьками дополнительно высвобождающегося углекислого газа. Параллельно в напитке распадаются дрожжи, придавая будущему шампанскому насыщенность и особый аромат. Этот процесс, лежащий в основе изготовления праздничного напитка, был придуман несколько сот лет назад во Франции. Большой вклад в развитие технологии внес монах Пьер Периньон, занимавшийся созданием игристых вин в XVII в.
Шампанское вызревает от года до трех лет. Финальный этап изготовления напитка — удаление осадка. Далее в бутылку добавляется ликер из вина и сахара, после чего сосуд окончательно закупоривается.
Реактивная струя и квинтэссенция аромата: шампанское с точки зрения науки
Поверить физикой источник праздничного настроения решила группа исследователей из Франции и Индии при участии Жерара Лиже-Белера из Реймсского университета Шампань — Арденны. Чтобы изучить процессы, протекающие при открывании бутылки шампанского, ученые разработали специальную модель.
Струи углекислого газа и водяных паров, вырывающиеся из бутылки шампанского, распространяются со сверхзвуковой скоростью.
Источник изображения: freepik / фотобанк Freepik
Струи углекислого газа и водяных паров, вырывающиеся из бутылки шампанского, распространяются со сверхзвуковой скоростью. Интересно, что вылетающий из горлышка поток даже может кристаллизоваться в силу адиабатического охлаждения.
Когда струя напитка взаимодействует с атмосферным воздухом, образуются ударные волны со сложной структурой. При этом в потоке шампанского часто возникают диски Маха — периодические ромбовидные структуры, которые появляются из-за повторяющихся сжатия и расширения струи. Этим процесс откупорки игристого вина напоминает принцип действия ракетных двигателей и извержение вулканов и гейзеров. Однако в случае с шампанским описание явления оказывается сложнее из-за того, что открытие напитка происходит в нестабильных условиях, а вместе с газовой струей из горлышка вылетает пробка, из-за чего меняется ширина потока.
Французско-индийская группа исследователей смоделировала процесс открытия бутылки шампанского посредством методов вычислительной гидродинамики. В качестве «исходного положения» модели ученые взяли два пространства, разделенных между собой стенками бутылки и пробкой. Внешняя часть представляла комнатные условия, внутренняя — промежуток между напитком и пробкой объемом 35 см3, заполненный углекислым газом.
Процесс сопротивления пробки вылетающему из горлышка газовому потоку при открытии шампанского аналогичен столкновению реактивной струи ракеты с поверхностью Земли и взаимодействию пули с пороховыми газами.
Фото: freepik / фотобанк Freepik
Ученые точно перенесли в модель характеристики настоящей бутылки. Температуру и давление газа исследователи выбрали те же, что в своих предыдущих исследованиях шампанского: 20 °C и 7,5 бар. Чтобы упростить расчеты, эксперты приняли, что пробка движется с постоянной скоростью 18,6 м/с, которую выяснили посредством эксперимента. Физики также не стали брать в расчет упругость пробки, из-за которой она обретает грибовидную форму после вылета.
Проанализировав результаты симуляции, исследователи разбили процесс открытия бутылки шампанского на три части. На первом этапе длительностью примерно 600 мкс пробка мешает разгону газовой струи и поток просачивается вбок, образуя своеобразную «корону» с пресловутыми дисками Маха. В ходе второго этапа, занимающего 600–1000 мкс, струя разгоняется до сверхзвуковой скорости. Наконец, спустя 1 мс давление в бутылке падает и газовый поток замедляется.
«Взрывного» открытия шампанского можно избежать — достаточно охладить напиток перед открытием.
Фото: freepik / фотобанк Freepik
Ученые обратили внимание, что процесс сопротивления пробки вылетающему из горлышка газовому потоку при открытии шампанского аналогичен столкновению реактивной струи ракеты с поверхностью Земли и взаимодействию пули с пороховыми газами. Поэтому результаты необычного исследования окажутся полезны в разнообразных областях физической науки.
«Взрывного» открытия шампанского можно избежать — это тоже было доказано в результате научного исследования, в котором также принял участие Жерар Лиже-Белер. В результате расчетов ученые сделали вывод, что скорость вылета пробки из бутылки шампанского напрямую зависит от температуры напитка. Так что при желании откупорить игристое вино без интересных происшествий бутылку с напитком достаточно охладить.
Бокал-«флейта» позволяет максимально полно передать насыщенный вкус шампанского.
Фото: rawpixel.com / фотобанк Freepik
Секреты аромата шампанского изучили с точки зрения физики исследователи из Института молекулярной химии в Реймсе. Ученые опровергли распространенное мнение о том, что запах напитка лучше раскрывается при маленьком размере пузырьков в вине. Эксперты пришли к выводу, что максимальное количество микроскопических капелек шампанского выбрасывается в воздух, когда на поверхности напитка лопаются пузырьки с наибольшим диаметром (3,4 мм). Благодаря этому в нос человека, который делает глоток из бокала, попадает больше ароматических веществ, что позволяет дегустатору максимально полно ощутить запах и вкус шампанского. Помимо этого, исследователи научно обосновали использование для шампанского высокого бокала-«флейты»: оказалось, что в сравнении с широкой «креманкой» в этой разновидности сосуда на поверхности напитка образуется меньше «мертвых зон» — мест, где скапливается очень мало пузырьков. Поэтому именно узкий бокал позволяет максимально полно передать насыщенный вкус шампанского.
* * *
Удивительно, как привычный праздничный напиток оказывается источником сложной модели реактивного движения, пригодной для изучения ракет и оружия, а использование разных видов сосудов под различные напитки обретает серьезное исследовательское обоснование. Теперь, после знакомства со сложной и увлекательной физикой шампанского, когда мы будем в следующий раз разливать по бокалам этот праздничный напиток, у нас появится повод задуматься о необычайной изобретательности ученых и вдохновиться их умением превращать обыденные вещи в источник ярких мыслей и ценных достижений.
Источники
«Энциклопедия Кругосвет». Шампанское
«Газета.ru». Игры пузырьков в вине дьявола
Comité Champagne. От сбора урожая до розлива по бутылкам. Брожение
The Guardian. Richard Gray. Champagne tastes better with bigger bubbles, study finds
Physics of Fluids, 34, 066119 (2022). Abdessamad Benidar, Robert Georges, Vinayak Kulkarni [et al.]. Computational fluid dynamic simulation of the supersonic CO2 flow during champagne cork popping
Journal of Food Engineering, Vol 116, Issue 1, May 2013. Gérard Liger-Belair, Marielle Bourget, Clara Cilindre [et al.]. Champagne cork popping revisited through high-speed infrared imaging: The role of temperature
Science Advances, Vol 5, Issue 9, 2019. Gérard Liger-Belair, Daniel Cordier, Robert Georges. Under-expanded super-sonic CO2 freezing jets during champagne cork popping
Scientific Reports, Issue 7, 2017. Gérard Liger-Belair, Daniel Cordier, Jacques Honvault [et al.]. Unveiling CO2 heterogeneous freezing plumes during champagne cork popping
Фото на главной странице: freepik / фотобанк Freepik
Фото на превью: freepik / фотобанк Freepik
Фото в тексте: freepik / фотобанк Freepik, freepik / фотобанк Freepik, freepik / фотобанк Freepik, freepik / фотобанк Freepik, rawpixel.com / фотобанк Freepik.
