I matematici irlandesi risolvono il problema della bolla affondante della Guinness

Uno degli enigmi più intriganti nella fluidodinamica è il comportamento sconcertante delle bolle nella Guinness, la famosa birra irlandese.

Come molti bevitori attesteranno, le bolle nella Guinness sembrano affondare mentre la bevanda si deposita e la testa si forma. Come può essere, dato che le bolle sono meno dense del fluido circostante e quindi dovrebbero salire?

Negli ultimi dieci anni circa, i fisici hanno iniziato a mettere da parte questo problema. Più di recente hanno dimostrato che non sono le bolle che affondano ma il liquido, che circola in modo che sia verso il basso vicino alle pareti di vetro e verso l'alto all'interno. Finché il flusso verso il basso del liquido è più veloce del movimento verso l'alto delle bolle, sembreranno affondare.

Ma questo lascia ancora un enigma: perché il liquido circola in questo modo?

Oggi, un team dedicato di matematici irlandesi rivela la risposta. Eugene Benilov, Cathal Cummins e William Lee dell'Università di Limerick affermano che l'ultimo pezzo di questo puzzle è la forma del bicchiere, che ha un'influenza cruciale sui modelli circolatori nel liquido.

Per capire come fare, ricorda innanzitutto che il movimento di ogni bolla esercita un trascinamento sul liquido che la circonda. Ora immagina cosa accadrebbe se ci fosse una regione di liquido contenente meno bolle vicino alla parete di un bicchiere da pinta e di conseguenza una regione di maggiore densità di bolle vicino al centro del bicchiere.

Benilov e compagni affermano che la resistenza sarà maggiore nella regione in cui la densità delle bolle è maggiore, in altre parole vicino al centro del bicchiere. Questo crea uno squilibrio che crea uno schema di circolazione in cui il liquido scorre verso l'alto al centro del vetro e verso il basso vicino alle pareti.

È esattamente come si osserva in una pinta di Guinness. Ma cosa causa in primo luogo la regione di bassa densità di bolle vicino alle pareti di vetro?

Benilov e compagni immaginano che all'inizio le bolle siano distribuite uniformemente in tutto il liquido. In un cilindro perfetto, si alzerebbero semplicemente insieme. Le bolle in ogni volume di liquido vengono costantemente reintegrate dal basso.

Ma immagina un contenitore più stretto in basso e più largo in alto in modo che le pareti si alzino ad angolo, come in un bicchiere da una pinta. In questo caso, il semplice atto di far salire le bolle crea una regione di bassa densità di bolle vicino alla parete angolata perché le bolle non vengono costantemente reintegrate al di sotto.

Al contrario, la densità delle bolle è maggiore al centro del bicchiere perché le bolle vengono reintegrate dal basso.

Ciò creerebbe esattamente il modello di circolazione osservato, affermano Benilov e co.

Questo effetto è ben noto nella teoria della sedimentazione come effetto del boicottaggio. È stato osservato per la prima volta in provette contenenti globuli rossi quando si è scoperto che i tempi di sedimentazione potevano essere significativamente ridotti inclinando le provette, affermano Benilov e co.

Questi ragazzi hanno persino creato un modello computerizzato del comportamento delle bolle nella Guinness che conferma il loro pensiero.

La ciliegina sulla torta, tuttavia, è che esiste un semplice esperimento che può facilmente confermare la teoria.

Gli esperimenti di solito non sono il dominio dei matematici. Ma Benlivo e compagni dimostrano valore oltre il richiamo del dovere matematico eseguendo effettivamente l'esperimento in cui versano coraggiosamente Guinness in un cilindro. Se il contenitore è inclinato, si osserverà che le bolle si muovono verso l'alto vicino alla sua superficie superiore e verso il basso vicino alla sua superficie inferiore, dicono.

Hanno anche creato un video di questo esperimento che puoi scarica qui (avi) .

Naturalmente, l'essenza della scienza sperimentale è la ripetibilità. Molti lettori non si accontenteranno di semplici prove visive di un video, ma insisteranno nel ripetere questo esperimento alle proprie condizioni, magari in una locanda di loro scelta. Giusto.

Ma se scegli questa strada, ricorda che questo lavoro non è del tutto stravagante. Comprendere questi tipi di ussi frizzanti è importante per una serie di applicazioni, come la produzione di bicchieri di champagne incisi con siti di nucleazione, widget e tecnologie simili per promuovere la formazione di schiuma nelle stout, affermano Benilov e co.

I bevitori di Guinness (e i camerieri) saranno anche consapevoli di un altro problema che li affligge: il tempo necessario a una pinta di Guinness per stabilizzarsi, che è significativamente più lungo rispetto alla maggior parte delle birre e lager.

Questo lavoro potrebbe consentire di ridisegnare i bicchieri da pinta in modo da incoraggiare le stout a stabilirsi più rapidamente?

Seguiremo da vicino gli sviluppi futuri.

Rif: arxiv.org/abs/1205.5233 : Perché le bolle nella Guinness affondano?

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