¿Cómo hace espuma la cerveza?
El hábil camarero inclinó la taza lo más posible, colocó la boca de la botella cerca del borde de la taza y dejó que la cerveza fluyera lentamente a lo largo de la pared de la taza hasta el fondo del vaso. taza Luego, a medida que aumenta la cerveza en la taza, lentamente La inclinación se ajusta a una posición vertical para que pueda llenar una cerveza sin demasiada espuma. Alguna vez la gente resumió con humor este truco de servir cerveza en tres modismos homofónicos: "Puerta torcida (malvada), pared de vidrio sucia (despreciable), torcida (malvada), verdad".
Cerveza, champán, Coca-Cola y otras bebidas refrescantes. Las bebidas son soluciones sobresaturadas de dióxido de carbono. Si no se sella, el dióxido de carbono se separará lentamente y escapará al aire. Cuanto más dióxido de carbono contenga esta refrescante bebida, mayor será su calidad. Por eso, verter cerveza en una taza puede causar problemas.
A los dos métodos de servir cerveza mencionados anteriormente los llamamos vertido recto y vertido diagonal. ¿Por qué el método de deslizamiento oblicuo produce menos espuma, mientras que el método de deslizamiento recto produce más espuma? Para responder a esta pregunta, debemos comenzar con la solubilidad de los gases.
La cantidad de dióxido de carbono disuelto en agua se suele medir por el volumen de dióxido de carbono disuelto por unidad de volumen de agua, lo que se llama solubilidad, que está relacionado con la temperatura y la presión. La solubilidad es alta a bajas temperaturas y baja a altas temperaturas. Tiene alta solubilidad a alta presión y baja solubilidad a baja presión. Si la presión de la cerveza fresca se reduce repentinamente a alta presión, el dióxido de carbono precipitará y burbujeará. En un recipiente cerrado, después de que las burbujas aumentan la presión dentro del recipiente, la solubilidad también aumenta y las burbujas ya no aparecen. Cuando abrimos la botella de champán escuchamos un pop. Los periódicos también publicaron noticias sobre tapas de botellas que salían volando y herían a personas al abrir botellas de cerveza, todo debido a la alta presión dentro del contenedor.
Hay algo interesante en la historia. A mediados del siglo pasado se cavó un túnel bajo el lecho del río Támesis en Londres. Cuando los túneles se vuelven aburridos, los políticos locales celebran celebraciones en su interior. Fue decepcionante descubrir que todo el champán que llevaban al túnel no tenía sabor. Sin embargo, cuando la gente salió del túnel y regresó a la superficie después de las celebraciones, sucedió algo desafortunado. El vino se les hinchó en el estómago y seguían saliendo gases por la nariz y la boca. Algunos llevaban chalecos inflables, mientras que otros tuvieron que regresar a los túneles para aliviar el dolor repentino.
Así que este fenómeno se produce porque el túnel está cientos de metros más bajo que el suelo, donde la presión del aire es alta y la solubilidad del dióxido de carbono es alta, por lo que el champán es tan insípido como si se escapara. Cuando regresamos al suelo, la presión del aire cayó y el dióxido de carbono se separó, estirando los vientres de los caballeros. Normalmente, por cada 100 metros de aumento del nivel del mar, la presión del aire cae 2190 Pa. Para soluciones sobresaturadas de dióxido de carbono, la separación de gases es evidente.
Ahora hablemos de verter cerveza en una taza. La presión de la cerveza en el vaso es básicamente uniforme en todas partes. La presión en la parte superior es ligeramente menor que en el fondo del vaso, por lo que hay un poco más de burbujas en la superficie. Pero si la cerveza en el vaso fluye de manera desigual, la presión en cada punto será diferente. Según la ley de mecánica de fluidos de Bernoulli, a lo largo de una línea de corriente, la presión es baja cuando la velocidad es alta, por lo que estas altas velocidades producirán convenientemente grandes cantidades de burbujas de dióxido de carbono. Para ilustrar este hecho, tomemos un vaso de cerveza aún fresca y veremos que es esencialmente espumosa. Si lo revuelves con palillos, encontrarás que habrá muchas burbujas al final del movimiento de los palillos, precisamente porque la presión allí es baja. Si mueves los palillos hacia adelante y hacia atrás en la taza para rotar la cerveza en la taza y luego sacas los palillos, la cerveza formará un vórtice en la taza. Según el análisis teórico, la presión en el centro del vórtice es muy pequeña, por lo que allí se generarán una serie de burbujas, al igual que los tornados que se ven en tierra, lo cual es muy interesante. Cualquiera que nade en un río conoce de primera mano la baja presión en el centro de un remolino. Si nadas hasta el borde del remolino, serás succionado hacia el centro del remolino, lo cual es muy peligroso.
En otras palabras, si quieres que la cerveza llene el vaso sin burbujear, debes intentar reducir la velocidad relativa del líquido en el vaso de cerveza y hacer que el proceso de llenado del vaso sea casi estático. lo más posible. El tipo directo mencionado anteriormente no es aplicable porque este método le da a la columna de cerveza un mayor impulso, aumentando así la diferencia de velocidad de la cerveza en la taza, lo que significa que es fácil formar una gran cantidad de pequeños vórtices. Por un lado, el tipo de deslizamiento oblicuo reduce la caída desde la boca de la botella hasta el vaso, reduciendo la energía cinética de la cerveza cuando entra al vaso; por otro lado, la inclinación del vaso puede cambiar el impacto frontal del vaso; La columna de cerveza en la taza genera un impacto oblicuo, lo que reduce el riesgo de contacto con la cerveza. Además, durante el proceso de deslizamiento oblicuo, la distancia que la cerveza se desliza hasta el fondo de la taza aumenta. producido por la capa viscosa límite cerca de la pared del vaso de la cerveza también puede reducir la velocidad con la que la cerveza llega al fondo del vaso. Por lo tanto, básicamente cumple con los requisitos cuasiestáticos tanto como sea posible y hace que todo el proceso sea menos espumoso.
La cerveza contiene mucho dióxido de carbono, entonces ¿por qué sienta bien beberla? Una razón importante es la dependencia de la temperatura de la solubilidad del dióxido de carbono. Cuando llenes una copa de vino helado, intenta insertar un palillo en la copa y encontrarás pequeñas burbujas retorciéndose alrededor de los palillos. Esto se debe a que la temperatura inicial de los palillos es más alta que la de la cerveza. A altas temperaturas, la solubilidad del dióxido de carbono en la cerveza alrededor de los palillos es pequeña, por lo que se separa y se arrastra sobre los palillos. De manera similar, cuando se bebe cerveza en el cuerpo, la temperatura corporal es más alta que la de la cerveza y una gran cantidad de burbujas se adhieren rápidamente a la membrana mucosa de la boca, el esófago y las paredes del estómago.
También sabemos que la eficiencia de transferencia de calor de las burbujas es relativamente baja, por lo que no sientes demasiado frío cuando bebes una bebida fría que es mucho más baja que la temperatura de tu cuerpo. También sabemos que una caída repentina de la temperatura de las mucosas contraerá los vasos sanguíneos cercanos, reducirá la actividad nerviosa y, en consecuencia, ralentizará la digestión y el apetito. La función de las burbujas en la cerveza es hacer que las personas se sientan frescas sin quitarles el apetito, manteniendo así un fuerte poder digestivo. Debido a esto, puedes notar que en un día caluroso de verano, cuando terminas una taza de helado, sientes falta de apetito, mientras que después de terminar una cerveza fría, todavía te sientes lleno. Esto se debe a que este último hará espuma. producido.
Entonces, si quieres que la cerveza sepa bien, debes prestar atención a una serie de pasos como la elaboración, el almacenamiento y el transporte, y el vertido de la botella al vaso, para que el dióxido de carbono no pueda escapar y producirse. Más partículas pequeñas después de entrar en la burbuja. Durante el almacenamiento y transporte, evite la exposición a la luz solar y enfríe adecuadamente; no agite demasiado violentamente para evitar que se escape un exceso de dióxido de carbono. Incluso en un recipiente sellado, el gas de dióxido de carbono separado puede causar una explosión debido a una presión excesiva. También tenga en cuenta que cuando sirva cerveza, úsela de manera oblicua, en lugar de escapar demasiado dióxido de carbono en el último paso antes de la "entrada". También hay que mencionar que la formación de burbujas en la cerveza no sólo está relacionada con la presión y la temperatura, sino también con un determinado núcleo de gasificación. Las burbujas siempre se forman primero cerca de pequeños sólidos o rebabas en la superficie interior de la botella. Prueba a poner una pizca de arena en un vaso de cerveza. A medida que la arena se hunde, la cerveza burbujeará como una lata. Además, una vez que se forman pequeñas burbujas, las propias burbujas pueden actuar como núcleos de vaporización, acelerando la formación de burbujas. Entonces, el burbujeo de cerveza es en realidad un proceso no lineal similar a una avalancha. Es decir, cuantas más burbujas haya, más fácil será aumentarlas. Entonces, una vez que emerge una gran cantidad de burbujas, desbordarán la taza a la velocidad del rayo. Incluso si dejas de servir cerveza, pasará un tiempo hasta que el dióxido de carbono casi desaparezca.
En la vida, este fenómeno no lineal de más y menos se llama efecto Mateo. Proviene de una frase de la Biblia Mateo: “El que tiene, dáselo, para que tenga más que suficiente; pero si no tienes, hasta lo que tiene le será quitado. Este efecto se utiliza en”. La mecánica y la física se pueden encontrar en todas partes. El cauce del río es curvo, y se vuelve aún más curvo debido a la erosión hídrica, si el terreno es irregular, se volverá aún más irregular bajo la erosión de la escorrentía cuando la atmósfera esté ionizada, es más fácil que se ionice parcialmente; es dado de alta. Hasta cierto punto, la brecha cada vez mayor entre ricos y pobres, el fuerte ascenso y caída del mercado de valores y la crisis económica son todos ellos el efecto Matthew. Lo mismo ocurre con las burbujas de cerveza de las que hablamos aquí. Describir con precisión el proceso no lineal de formación de espuma de la cerveza no es fácil porque la espuma es una estructura fractal y el comportamiento de la espuma es diferente en diferentes escalas.
Después de hablar de la cerveza, veamos el agua, que es el mismo líquido que la cerveza. El dióxido de carbono se disuelve en la cerveza. ¿Dónde está el agua? Por lo general, una pequeña cantidad de aire se disuelve en agua y, además, los radicales moleculares del agua se pueden convertir en gas: vapor de agua. En este punto, no es diferente a la cerveza. La diferencia es que las moléculas de agua se convierten en gas a menor presión, creando burbujas llamadas vacuolas, también conocidas como agujeros. El diámetro de la bolsa de aire es a veces tan pequeño como 10-5 cm. No subestimes esta humilde oquedad, era, y sigue siendo, un formidable obstáculo para la navegación.
En 1894, cuando el pequeño destructor británico HMS Brave de 240 toneladas fue sometido a pruebas por primera vez, la velocidad de la hélice sólo podía alcanzar 384 rpm, un 1,54% menos que la velocidad nominal de diseño. Después de varios ajustes, no fue hasta 1897 que el ingeniero jefe Barnaby publicó un artículo en una reunión de arquitectos navales explicando que el mal rendimiento inicial se debía a la cavitación de la hélice. Veinte años más tarde, en 1915, el nuevo torpedero británico "Lind" navegó hacia el Atlántico para un viaje de prueba. Fue diseñado para ser dos veces más rápido que el modelo anterior, pero cuando la maquinaria del barco funcionaba a máxima velocidad, la popa se balanceaba y la espuma del agua de mar en la popa rodaba, como si se vertiera cerveza, a la misma velocidad que el modelo anterior. Cuando el torpedero regresó a la base, la hélice estaba hecha jirones. Esta es otra burbuja problemática. Hasta 1971, un estudio realizado en miles de barcos encontró que después de un año de uso, el 30% de las hélices sufrían diversos grados de daño debido a la cavitación.
Para estudiar el mecanismo y función de la cavitación, desde el siglo pasado se han iniciado investigaciones teóricas y experimentales. En 1895, el Reino Unido construyó un pequeño túnel de agua específicamente para la investigación de la cavitación. Posteriormente, en las décadas de 1920 y 1930, Gran Bretaña, Alemania, Francia, la Unión Soviética, Estados Unidos y otros países construyeron sucesivamente túneles de agua de cavitación más grandes. Al mismo tiempo, la investigación teórica también ha logrado avances correspondientes.
¿Por qué el agua a alta velocidad hace espuma? Resulta que el agua hierve a presión atmosférica estándar (1 atmósfera equivale a 101325 Pa) y la temperatura alcanza los 100°C. La "ebullición" es el fenómeno por el que pueden aparecer burbujas en el agua. A diferentes temperaturas, la presión de ebullición del agua es diferente, lo que se denomina presión de vapor saturado, también llamada presión de vapor. La presión de vapor saturado de agua a diferentes temperaturas se muestra en la siguiente tabla.
Como se puede ver en la tabla anterior, cuando la presión es de 2338,1 Pa, el agua hervirá a 20 °C. Este fenómeno de ebullición a temperatura ambiente se puede denominar "ebullición en frío". En una meseta a más de 4.000 metros de altitud, debido a la baja presión del aire y a un punto de ebullición de sólo 86°C, cocinar allí no es fácil. Cuando la presión alcanza 198490 Pa, que es menos de dos atmósferas, el agua no hierve hasta los 120 °C, que es casi la presión de una olla a presión común.
Como se mencionó anteriormente, el movimiento del fluido a alta velocidad reducirá la presión local. Especialmente cuando barcos, hélices y torpedos de alta velocidad se mueven en el agua, la presión del agua local será muy alta, llegando a alcanzar. la presión del vapor a temperatura normal. Esta es la razón por la que se producen burbujas en el agua durante la navegación a alta velocidad.
Una vez que se produce la cavitación, la resistencia aumentará, las burbujas consumirán mucha energía y la velocidad de la nave ya no podrá aumentar. Si no se toman medidas especiales para solucionar el problema de la cavitación, la velocidad de la mayoría de los barcos grandes no superará los 26 nudos (unos 14 m/s).
Sin embargo, el daño de la cavitación a la navegación no termina ahí. El problema es que después de que se forma cavitación en el área de baja presión, fluye con el agua hacia el área de alta presión, donde la presión aumenta y las burbujas no pueden existir y cerrarse. El cierre de las burbujas provocará una alta presión similar a una explosión, llegando incluso a 1.000.000 de atmósferas. A esta presión atmosférica, cualquier material metálico se destruirá, por lo que la hélice pronto será masticada por cavitación. Problemas similares ocurren con las grandes centrales hidroeléctricas y represas. Por ejemplo, la velocidad del flujo de agua en un túnel de descarga de inundaciones es alta y las burbujas pueden erosionar la pared de la cueva. Las burbujas pueden devorar las palas de las turbinas de una central hidroeléctrica en pocos días.
Las gotas de agua pueden penetrar la piedra. Las gotas de agua ininterrumpidas pueden penetrar la piedra. Al principio, la gente pensó que era causada por la erosión hídrica prolongada, pero en realidad también fue causada por la cavitación. Con el desarrollo de las cámaras de alta velocidad, alguien apuntó 1.500 cámaras por segundo al lugar donde "aterrizaban" las gotas de agua. Las gotas de agua van de redondas a aplanadas y luego se extienden. En este momento, algunas velocidades locales cerca del centro de la gota son lo suficientemente considerables como para alcanzar la baja presión de cavitación. Así, las bolsas de aire van devorando poco a poco la piedra dura. En el río de corriente rápida, el agua que fluye golpea la orilla rocosa, "las rocas rompen el aire y las olas rompen la orilla". Este efecto del agua probablemente también se deba a la cavitación.
Los lectores atentos podrán notar que cuando se vierte una taza de agua recién hervida en el suelo, se escucha un chapoteo, mientras que cuando se vierte agua fría en el suelo, se escucha un chapoteo crujiente. La diferencia de sonido también se debe a las burbujas. Si viertes un vaso de cerveza recién hecho en el suelo, sonará como agua hirviendo. El agua recién hervida está a casi 100°C. Cuando se vierte en el suelo, la velocidad local del fluido es relativamente alta, por lo que la presión disminuye. Esta pequeña presión hace que el líquido vuelva a hervir. Una capa de burbujas entre el suelo y el agua ciertamente suena diferente a que no haya burbujas, pero cuando el agua fría golpea el suelo, la caída de presión local no es suficiente para hacer que el líquido hierva.
Coge una olla de aluminio y pon a hervir una olla con agua. Cuando el agua hierva, levantas la olla del fuego con una mano y colocas suavemente la otra en el fondo de la olla. En este momento descubrirás que esta mano puede sostener toda la olla de aluminio sin sentir calor. Esto es una burbuja en acción nuevamente. Resulta que hay una capa de pequeñas burbujas arrastrándose por la pared inferior de la olla recién cocida, que tiene un buen rendimiento de conservación del calor. Cuando sostienes el fondo de la olla con la mano, la capacidad calorífica del aluminio en el fondo de la olla es muy pequeña y rápidamente alcanza el equilibrio con la temperatura de tu mano. Sin embargo, el calor del agua en la olla no lo hace. Siéntete caliente debido al aislamiento de una capa de burbujas. Si no me crees, pruébalo.
A principios de este siglo, la gente se fue dando cuenta del fenómeno de las ondas ultrasónicas. En 1917, el científico francés Lang Wanzhi inventó el generador ultrasónico de cristal piezoeléctrico y luego las ondas ultrasónicas entraron en la etapa de investigación aplicada. Vale la pena señalar que la propagación de ondas ultrasónicas en el agua provoca oscilaciones locales de alta frecuencia en el agua. La presión negativa generada por esta oscilación es suficiente para producir cavitación, lo que hace que las ondas ultrasónicas se utilicen ampliamente en la limpieza de piezas, emulsificación, reacciones químicas aceleradas. aplastamiento, etcétera.
También en 1917, el estudioso británico Rayleigh calculó por primera vez que la presión en el centro de una cavidad esférica en un fluido incompresible es infinita cuando está cerrada. Cuando un líquido es comprimible, la presión no es infinita, pero sigue siendo muy alta. La comprensión de la cavitación está lejos de terminar. Hace ya 60 años, la gente descubrió que cuando se introducen ondas ultrasónicas en el agua, ésta puede brillar instantáneamente. Este fenómeno no ha sido explicado razonablemente. No fue hasta 1959 que se demostró por primera vez que la luz es emitida por la enorme concentración de energía que se produce cuando estallan las burbujas.
Según un reciente informe de la revista británica "New Scientist", en los últimos años se han ido utilizando modelos cada vez más precisos para calcular los fenómenos de cavitación. Tres estadounidenses obtuvieron resultados diferentes. En 1986, un estadounidense calculó que el colapso de las burbujas podría provocar una temperatura máxima de 5000 K. En 1993, alguien mejoró el cálculo y dijo que podría alcanzar una temperatura máxima de 7000 K, que ya es la temperatura de la superficie del sol. En la Conferencia Nacional Estadounidense de Acústica de octubre de 1994 se anunció que la temperatura cuando colapsa la burbuja puede alcanzar los 2 millones de K, que es la mitad de la temperatura requerida para las reacciones termonucleares de fusión.
Si la teoría de cálculo anterior es correcta y podemos confiar en la tecnología moderna para lograrla, ¡quizás la cavitación siga siendo un método viable para controlar las reacciones termonucleares! ¡Qué perspectiva tan tentadora es ésta! Para dar un paso atrás, incluso si no podemos alcanzar la alta temperatura de cálculo, ¡la gente puede usar esta temperatura extraordinariamente alta para abrir muchos campos de aplicación nuevos!
Las burbujas en la cerveza pueden traer tanto delicias como problemas. Asimismo, las vacuolas pueden resultar peligrosas o beneficiosas para la humanidad. Hay pros y contras en los asuntos mundiales. Cómo buscar ventajas y evitar desventajas depende de una comprensión completa de su mecanismo. Lo mismo ocurre con el servicio de cerveza, especialmente cuando se trata de burbujas.