Игристая физика. Как рождаются, живут и исчезают пузырьки в шампанском

Как рождаются, живут и исчезают пузырьки в шампанском

Бах! Пробка с хлопком вылетает из бутылки, а пузырьки поднимаются со дна и лопаются, распространяя фруктовый аромат. Даже тот, кто не любит шампанское, уважая традицию, наверняка пьет его хотя бы раз в году — за праздничным столом 31 декабря.

Так вышло, что без шампанского нет праздника, а без пузырьков — нет шампанского. В одном вытянутом бокале на длинной ножке их содержится примерно миллион. Давайте поближе посмотрим, откуда они берутся и что происходит с ними до и после того, как мы открыли бутылку, чтобы выпить за наступающий год.

Попасть в бутылку

Чтобы сделать шампанское, забродивший виноградный сок (так называемое базовое вино) помещают в бутылки с толстыми стенками, добавляют сахар и дрожжи. Затем тару закупоривают — уже внутри грибы перерабатывают сахар и активно выделяют углекислый газ, будущий строительный материал пузырьков. Однако самих пузырьков на этом этапе практически нет.

Дело в том, что в закрытой бутылке CO2 существует в двух формах: одна часть растворена в жидкости, другая — смешана с воздухом в пространстве над напитком. Они находятся в химическом равновесии: из-за того, что система закрыта, скорость растворения углекислого газа равна скорости выделения CO2 из шампанского. Если бутылку встряхнуть, то небольшое количество углекислого газа принудительно растворится в жидкости, а значит какой-то объем CO2 должен будет высвободиться — на стенках бутылки появятся маленькие пузырьки газа, но глобальное равновесие в системе сохранится. Главное условие такого баланса — постоянное давление в таре, которое достигает пяти-шести атмосфер.

Первые несколько лет брожения бутылки лежат горизонтально. Затем их ставят под углом 45 градусов и постепенно поднимают вверх дном. Чтобы пузырьки не взболтали осадок, бутылки двигают аккуратно, избегая даже акустических вибраций. Когда дрожжевой осадок собирается в горлышке, его удаляют почти без потерь углекислого газа. Для этого верх бутылки  погружают в охлаждающий соляной раствор температурой от −20 до −30 градусов Цельсия. Осадок замерзает, превращаясь в плотную ледяную пробку, которую затем быстро вынимают, минимизируя контакт вина с воздухом и риск изменения вкуса. Эти этапы — медленный наклон бутылок и последующее удаление осадка — профессионалы называют ремюажем и дегоржажем.

Невинтажное шампанское, в котором содержится смесь вин разных лет, выдерживают с дрожжевым осадком минимум 15 месяцев. Марочные напитки, которые делают только из одного урожая, проводят на этапе брожения не менее трех лет — по мнению виноделов, за счет долгой выдержки напиток приобретает более сложный вкус. Кстати, цвет стекла выбирают не случайно: зеленая тара защищает вино от окисления под действием солнечного ультрафиолета.

После того, как шампанское выдержало минимальный срок брожения, его отправляют в продажу. Сегодня на полках магазинов можно найти шампанское в таре самой разной формы и размера: от бутылок объемом 0,75 литра до жестяных банок. Но даже если вы хотите выпить ровно один бокал — не спешите нести на кассу небольшую тару: французские химики доказали, что чем больше бутылка шампанского, тем лучше она сохраняет растворенный углекислый газ. Ученые описали и то, как выдыхается напиток с течением времени: со временем газ просачивается через пористый материал пробки. Для этого они использовали закон диффузии Фика и экспоненциальную модель распада веществ.

Свою гипотезу исследователи проверили на 13 образцах шампанского возрастом от 25 до 47 лет в бутылках объемом 0,75 и 1,5 литра. Кроме того, ученые вывели формулу «срока годности» напитка — в нее вошли начальные условия брожения и геометрические параметры сосуда. Оказалось, что бутылка шампанского объемом 750 миллилитров выдохнется примерно через 40 лет, а в полуторалитровой углекислый газ проживет все 80 лет, сохраняя максимальную игристость.

Пузырьки выходят на волю

Допустим, вы купили шампанское в самой большой таре, которую только смогли найти. Настало время откупорить бутылку — нарушить баланс системы и заставить сработать принцип Ле Шателье — Брауна. В мгновение ока давление в сосуде падает и высвобождает газ: пробка пулей летит вверх, пена бьет шипящей волной, а потоки газа смешиваются с облаком водяных и спиртовых паров, создавая ароматный туман.

Физики из Индии и Франции смоделировали этот процесс и показали, что вылет пробки из бутылки можно условно разделить на три части. Самая интересная стадия — первая, длительностью примерно 600 микросекунд: в это время пробка мешает газу разогнаться, из-за чего в струе можно увидеть диски Маха. Так называют периодические области давления выше и ниже атмосферного. В нашем случае эти промежутки — результат взаимодействия окружающего воздуха и газов из бутылки, вылетающих со сверхзвуковой скоростью в виде ударных волн. Иногда диски выглядят как ромбы, из-за чего их называют алмазами.

Однако увидеть алмазы Маха над бутылкой шампанского невооруженным глазом нельзя — из-за их экстремально короткого времени жизни, а также брызг, которые мешают сфокусироваться зрению.

Пузырьки в бокале

Незачем тянуть: пора разлить шампанское по бокалам. Пузырьки в вине поднимаются и лопаются, а из-за того, что скорость их образования превышает время жизни на поверхности жидкости, они скапливаются и образуют пенную шапку. В отличие от пива или капучино, пена в шампанском живет заметно меньше, так как не содержит в составе белков (например таких, как белки переноса липидов в пиве), укрепляющих структуру шапки.

Подробно феномен пенных напитков описали физики из Норвегии, Польши и США. Они объяснили, почему пена шампанского так неустойчива: шапка из пузырьков, оседает из-за сил межмолекулярного взаимодействия (то есть ван-дер-ваальсовых сил); потенциальная энергия тонких стенок пузырьков стремится к минимуму и делает это за счет уменьшения площади поверхности пузырьков, разрушая их. Этот процесс можно было бы стабилизировать электростатическим отталкиванием небольших зарядов, содержащихся в поверхностно-активных веществах. Но ПАВ, которые содержатся в жирных кислотах шампанского, не хватает для долгой стабилизации пены.

Выпить бокал шампанского нужно как можно быстрее, пока не исчезла пена и не лопнули все пузырьки. Ведь шарики углекислого газа, как выяснили физики из Франции, очень важны для насыщенности вкуса. Чем больше крупных пузырьков, которые лопаются и формируют плотный аэрозоль из микроскопических капель шампанского, тем

и соответственно, ярче и насыщеннее аромат игристого

. А учитывая довольно высокую скорость, с которой происходит разрушение пузырька, микрокапли жидкости успевают распространиться на большие расстояния. Физики также отметили, что в бокалах существуют «мертвые зоны», в которых образование пузырьков протекает вяло: например, в

их еще называют «флейты»

бокалах размер этих зон существенно меньше, чем в

такие бокалы называют креманками

.

Ровным строем вверх

После первого глотка понаблюдайте за пузырьками еще немного: прежде чем раствориться в окружающем воздухе, они поднимаются наверх стройными, почти прямыми цепочками с равными интервалами между звеньями. Это характерная особенность шампанского. 

Вероятно, она возникает благодаря поверхностно-активным веществам, а точнее балансу между радиусом газовых сфер и числом Ленгмюра, которое связано с содержанием ПАВ. В шампанском поверхностно-активных веществ не так много, но при этом ровно столько, сколько необходимо для поддержания равновесия во время всплытия пузырьков. По крайней мере, к такому выводу пришли американские и французские физики, сравнив характер движения пузырьков в шампанском, газировке, пиве и смеси воды с глицерином разной концентрации. Оказалось, что если пузырьки слишком маленькие, а ПАВ в жидкости нет (или наоборот, слишком много), то вместо ровной линии мы видим, как пузырьки хаотично поднимаются вверх в пределах узкого конуса.

Внутри организма

Рождение в бутылке бродящего виноградного сока, стремительный и шумный выход на волю, всплытие ровным строем наверх и распыление микрокапель напитка — все эти этапы жизни пузырьков объясняет физика. Однако и это еще не все: когда шампанское попадает в организм, именно пузырьки CO2 помогают алкоголю достичь высокого насыщения за относительно короткое время. К такому выводу пришли ученые из Великобритании, когда проанализировали влияние углекислого газа в напитке на концентрацию алкоголя в крови. Исследователи сравнили, как быстро растет концентрация этанола для обычного и дегазированного шампанского, и выяснили, что содержание углекислого газа в пузырьках ускорило всасывание алкоголя и привело к более быстрому и тяжелому опьянению.

Поэтому редакция N + 1 рекомендует читателям тщательно следить за тем, как часто обновляется ваш бокал с шампанским в новогоднюю ночь!

Физика Хлеб и вино

Источник: nplus1.ru