Un laboratorio en una botella de champán

El “pop” al descorchar una botella de champán es inconfundible, pero solo ahora sabemos exactamente qué lo causa. El sonido tan particular se debe que a la onda de choque que produce el gas al salir disparado de la botella más rápido que el sonido. Un nuevo modelo computacional describe por primera vez su formación, evolución y disipación de manera detallada, lo que podría permitir mejorar las técnicas de detección de fallos electrónicos o construir lanzaderas de cohetes más eficaces.

Dar con una descripción precisa de las ondas de choque en una botella de champán no es tarea fácil. El movimiento del tapón de corcho afecta al comportamiento del gas y hace que, en cada instante, cambie la forma geométrica del recipiente. Además, el flujo del gas es irregular, y ocurre a una velocidad superior a la del sonido. Todos estos factores complican enormemente el modelo matemático que describe el movimiento de las ondas.

Sin embargo, ahora sabemos que, cuando el corcho comienza a salir, hace de barrera e impide que el gas alcance la velocidad del sonido. A medida que el corcho continúa subiendo y se desprende de la botella, el gas se enfría hasta -95 ºC, se expande en todas las direcciones a velocidades supersónicas y produce ondas de choque en forma de diamante: viajan en la dirección en la que se expande el gas, y también en la dirección oblicua.

Modelo fiel

En 2019, el equipo investigador realizó experimentos para captar la formación de las ondas de choque en las botellas de champán. Captar los detalles de un movimiento tan veloz y violento no fue tarea sencilla, pero utilizando cámaras de alta velocidad consiguieron plasmar el comportamiento del gas por primera vez. Ahora han desarrollado un modelo computacional que simula el recorrido del gas durante el primer milisegundo posterior a la apertura de la botella. La simulación predice con exactitud lo que reflejan las imágenes, confirmando que es un modelo fiel a la realidad.

Es, precisamente, el movimiento brusco del gas lo que causa el sonido tan característico de las botellas de champán. Cuando el gas viaja despacio, el aire a su alrededor se aparta para dejarle paso. Sucede lo mismo cuando un barco navega tranquilamente y mueve el agua por donde pasa. Si el gas (o el barco) se mueven más rápido, comprimen las ondas de aire o agua que encuentran a su paso. A medida que el gas coge velocidad, las ondas de aire se comprimen tanto que se empiezan a solaparse.

Cuando el gas alcanza y supera la velocidad del sonido, las ondas de aire no tienen tiempo de apartarse para dejar paso al flujo de gas. De hecho, la velocidad del sonido, sea en el aire o en cualquier otro medio, no es más que la velocidad a la que se transmite una perturbación a través de ese medio. Por eso, si un objeto se mueve a una velocidad superior, la perturbación que provoca es violenta.

Explosión sónica

Entonces, cuando el gas sale de la botella de champán, las ondas de aire se quedan atrás formando una estela que produce el sonido característico conocido como ‘explosión sónica’. El silbido de un látigo al moverse por el aire también es una explosión sónica, al igual que el crujido de una bala o el retumbar de un trueno. Incluso la explosión de una bomba causa ondas de choque, tan violentas que pueden derribar edificios enteros.

Pero, además, las ondas de choque se pueden utilizar en medicina, aeronáutica o electrónica, por eso es crucial conocer su comportamiento de la manera más detallada posible. Estas ondas son capaces de regenerar tejidos y aliviar el dolor, por eso cada vez se usan más en la medicina regenerativa. Además, se emplean para diagnosticar fallos en algunos dispositivos electrónicos sin necesidad de desmontarlos. Incluso, recientemente, se han realizado experimentos para propulsar cohetes espaciales utilizando ondas de choque generadas en las lanzaderas. En las turbinas eólicas, las ondas que se generan en las aspas disipan energía valiosa amenazando su eficiencia.

Laboratorio en miniatura

Por eso, más allá de satisfacer nuestra curiosidad por conocer qué hay detrás de un acto relativamente cotidiano como es descorchar una botella de espumoso, esta investigación podría ser muy relevante para estudiar todas esas otras situaciones donde hay movimiento más rápido que el sonido. El equipo investigador espera que la simulación que ha desarrollado pueda ser de utilidad en esos ámbitos y, probablemente, otros aún por descubrir.

El siguiente paso es considerar variaciones en la temperatura, volumen y diámetro del cuello de la botella. Además se plantean estudiar cómo influye en las ondas de choque la formación de partículas de hielo debidas a la bajada drástica de temperatura que ocurre cuando el gas sale de la botella. Por eso consideran, según Robert Georges (coautor del estudio e investigador de la Universidad de Rennes 1), que la botella de champán podría convertirse en un “laboratorio en miniatura”.

QUE NO TE LA CUELEN:

• Al contrario que la velocidad del sonido, la velocidad de la luz en el vacío (299 792 458 metros por segundo) es el límite absoluto al que se puede desplazar la materia, la energía y cualquier señal que contenga información. Ahora bien, sí puede ocurrir que una partícula se desplace por un medio a una velocidad superior a la de la luz en ese medio, siempre sin superar la velocidad de la luz en el vacío.

REFERENCIAS (MLA):

• Benidar, Abdessamad et al. “Computational Fluid Dynamic Simulation Of The Supersonic CO2 Flow During Champagne Cork Popping”. Physics Of Fluids, 2022. AIP Publishing,https://doi.org/10.1063/5.0089774.
• Simplicio, Claudio Lopes et al. “Extracorporeal shock wave therapy mechanisms in musculoskeletal regenerative medicine.” Journal of clinical orthopaedics and trauma vol. 11,Suppl 3 (2020): S309-S318.https://doi.org/10.1016%2Fj.jcot.2020.02.004