一个伟大的酒厂,啤酒泡泡物理学

日期:2019-05-02编辑作者:优德88手机版

炎炎夏日,最惬意的事情就是来杯冰啤酒透心凉爽一下了。打开啤酒,直冲而上的啤酒泡泡看上去就很清凉。 不过你知道吗?有些啤酒的泡泡会唱神曲《忐忑》——它们不但可以向上冒,还能往下沉。啤酒泡泡向下走的现象虽然算不上什么奇迹,不过也并不常见。最有名的例子大概是爱尔兰的一种叫健力士黑色烈性啤酒,它除了口感甚佳,而且也因为酒中“逆天”下沉的泡泡为人津津乐道。为什么这种啤酒泡泡会下沉?爱尔兰的事爱尔兰人自己解决。最近那里的数学家就解开了这个气泡下沉之谜。

谈到Guinness,大家会想到什么?这间老牌的爱尔兰酒厂,在全世界50多个国家有酿造机构,做为标志的竖琴罐装在全球超过150个国家销售。今天来谈谈这个酒厂对世界的伟大贡献。

文| 美伢

气泡为何会下沉

实际上,很早之前人们就发现了这个现象,这些下沉的啤酒泡泡绝非视觉假象,而是货真价实的逆天行动。健力士这类啤酒不但同普通啤酒一样憋着一股二氧化碳,它还闷了一肚子氮气。气泡下沉的秘密正是来由于这些氮气气泡作祟:一旦啤酒被打开,啤酒瓶内气压降低,二氧化碳和氮气就将不再溶于水从而过饱和形成气泡和泡沫。

为了简化讨论,我们假设气泡直径保持不变,只考虑作用在气泡上的浮力和阻力。单个气泡的运动就取决于这两个力之间的平衡,应用牛顿第二定律即物体运动的质量乘以加速度等于作用在物体上的合力,以气泡为研究对象,我们可以得到:

图片 1

其中,方程右边第一项是泡浴缸的阿基米德浮力,第二项是圆球阻力公式, ρ 是流体密度, V 是气泡体积, C D 是阻力系数, S p 是气泡在流动方向上的投影面积, U 是气泡速度, m 是气泡质量。

由量纲分析我们可以估算出,气泡从静止到达匀速运动的时间非常短,大概是 4 × 10 -7 秒。也就是说,大部分时间里我们看见的气泡都是匀速运动的。这时气泡受力平衡,上面方程式的左边为零。流体力学家根据实验得到了阻力系数在不同流动状态下的经验公式,带入上式后解方程右边就可以得到气泡上升速度:

图片 2

其中, Re 是气泡的雷诺数, ν 是流体的运动学粘性系数, D 为气泡直径, g 是重力加速度。我们知道,氮气气泡小,二氧化碳气泡大,所以氮气上升的速度慢,二氧化碳快。上升快的二氧化碳气泡在水中受到阻力也大,因此反过来带给啤酒的加速度也大。一旦过饱和形成气泡以后,它们会主导杯子里面的流动,使啤酒杯中央的啤酒形成一股上升流动。这股流动到达啤酒液面以后无法摆脱地球引力无处可去,于是向四周扩散开来,顺着玻璃杯壁面向下而来。这股下行流动遇上杯壁附近的细密氮气气泡并且超过气泡上升的速度就会裹挟它们下沉。

图片 3

另一方面,健力士啤酒又是一种著名的黑啤酒,黑啤酒一个很大的特点就是它是黑色的,这使得表面气泡的运动更容易观察到,而不是像透明的啤酒一样可以很容易看到中间的气泡运动。如此一来只有杯壁附近的气泡被人们注意,这种泡泡下沉现象也就变得格外引人注意。

图片 4

对于喝啤酒这事儿,有人说,如果不是勾引,就不要对瓶吹。

这就是全部真相了吗?

氮气气泡的确是气泡下沉现象的关键,但是二氧化碳气泡带动的中央流动本来就很微弱,况且它还在啤酒表面四散开来分散了能量,而且受到壁面阻碍,它有这么强烈以至于能够对冲氮气气泡的上升吗?

长久以来这个问题都被忽视了,直到最近爱尔兰的数学家们对刚刚倒满的啤酒杯进行了计算机数值模拟的方法,由此示了干啤中下沉流动的另一个不容忽视的狠角色——啤酒杯。

通过一个基于 MATLAB 的计算流体力学软件—— COMSOL,爱尔兰数学家假设啤酒中的气泡随机分布在啤酒内部,气泡在模拟过程中保持直径为 122 微米的圆球状(用我们上面推导的公式可以得知,气泡的速度大约为 4 毫米每秒),由于流速很低,他们进一步假设流动是平稳的层流,经过粗略测量,估计出啤酒杯中,气泡的总体积占到玻璃杯的 2%,最后也是最重要的一点,他们测量了这种曼妙的啤酒杯的三围(下图左)并应用到他们的模拟中去。

根据这些数据和气泡以及啤酒的属性,他们开始了数值模拟。模拟结果不但印证了先前的推测啤酒杯中间的气泡以上升为主,杯子中央的液体也被带动,形成了一股中央的上升流动并且在表面向四周扩散开来,顺着玻璃杯壁面飞流直下(下图左);他们还进一步发现这种啤酒杯的外形设计还会锦上添花,让下行啤酒流更加剧烈。

图片 5

进一步的,科学家分析发现:当气泡形成继而上浮时,尽管气泡垂直上升,但是由于这种玻璃杯存在一个向外扩张的坡度,气泡会相对远离壁面,从而形成富含气泡的中心和气泡稀疏的外围,中央平均密度小因此液体就会上升,而四周液体平均密度大所以下沉,好似一个已经存在“中升周降”环流的封闭大仓库中间又点燃了一堆篝火。篝火加热了中间的流体,所以形成更强烈的上升气流。气流遇到天花板扩散开来,然后在四周又被冷空气加速下沉,在地面又被篝火附近形成的低压吸引,从而加强了这种环流。为了印证这种猜测,他们又模拟了倒扣的啤酒杯,并发现这种环流非常羸弱,甚至形成了反环流(上图右)。气泡在这种情况下就不一定还那么执着的下沉了。


参考文献:

[1] Why do bubbles in Guinness sink? E. S. Benilov,C. P. Cummins

[2] Irish mathematicians explain why Guinness bubbles sink (w/ video)

[3] Rise of gas bubbles in quiescent liquids, Dimitar G. Karamanev,AIChE Journal Volume 40, Issue 8, pages 1418–1421, August 1994, DOI: 10.1002/aic.690400814

Guinness的标志产品

的确,吹瓶儿这事一点不优雅,而且简直有点浪费酒,尤其是香气丰富、富有风味的精酿啤酒。香气会因为瓶子的细颈无法充分扩散出来;风味也会由于酒体直接冲到喉咙、减少与舌尖味蕾接触而减弱。

笔者小的时候,有阵子常留意电视上,报纸上报导的奇闻妙事,这些旁白标志着"XXXX打破金氏世界纪录"的报导,总让小孩子的我眼睛一亮"好厉害" "太神奇了"。长大了以后才知道,所谓金氏世界纪录指的就是Guinness World Records,由Guinness酒厂于1954年出版,至今六十多年不断更新各种破世界纪录的人事物。这貌似与啤酒八竿子打不到一块啊? 原来啤酒跟这些纪录之间,是透过吹牛逼相结合的,"喝啤酒" 时 "吹牛逼" 需要 "谈资",当时聪明的Guinness酒厂就把这些世界纪录收录起来做成小册子,给都柏林的酒客们当谈资,反正聊得越多酒卖得越好。这真是个聪明的营销策略,既能辅助主业又自成了品牌。

所以,喝精酿啤酒,请倒在杯里喝,全面享受啤酒的色、香、味。说到倒进杯里,你估计会心想这还用学么,纯靠感觉也能搞定啊。那么现在回想一下,上次倒酒的时候,是否泡沫火山喷发一样涌出了杯子,而酒却只有小半杯?又或者是完全激不起泡沫?

图片 6

现在请跟着下面靠谱的倒啤酒三部曲,好好对待你手中那瓶啤酒,倒出一杯拥有完美泡沫、香气四溢的啤酒。

国内叫吉尼斯世界纪录

◆ 选择并清洗啤酒杯 ◆

时间再进到笔者出社会不久时,当初的工作是在半导体公司里,专为工程部门服务的程序员。为了让使用单位在生产线做实验 / 看结果更加方便及有效率,我开发了许多相应的资讯系统。基于兴趣及加深与使用单位的工作默契,特地去修了台湾交通大学的工程实验 / 工程统计研究所学分班。课程中学习到的一个最节省样本、计算简单及检验功效较高的检验手法名为 t 检验 ( Student's t test )。这个手法在各个科研领域的实用性有多高就不多介绍,t 检验的源起我们可以好好关注下 -- 投入发酵罐中的活酵母数量是控制啤酒成品味道稳定的重要因素,为了从扩培酵母的样品中能够有效推估出总体的酵母数量,二十世纪初在Guinness酒厂工作的酿酒师兼统计学家威廉-希利-戈塞(William Sealy Gosset)发现了小样本条件下,“样本平均数与真正平均数差”与标准差之间比值 t 的理论分布,t检验则是用 t分布理论来推论差异发生的概率。一切都得感谢Guinness酒厂在十九世纪末为了优化生产过程,提高产品质量而大举招聘当时英国最好的高校毕业生前往工作。哪天笔者搞酒厂的话,也希望能够有点科学,有点创举。

非常重要!最好为你要倒的啤酒挑一只合适的杯子,但即使是一只普通玻璃杯,也请清洗干净——酒杯内壁残留的油污、灰尘、清洁剂、气味都会破坏啤酒的口味。

图片 7

用冷水冲洗,洗净的同时可以冷却杯子。洗完可别拿去烘干——杯壁上薄薄的一层水衣可以帮助啤酒顺滑地流下,而且可以判断杯子是否干净:杯壁上如果积有一层泡泡说明油污没有清理干净。还有,避免用冰柜里拿出的杯子:里面的冰霜会让啤酒激起密集的泡沫,导致酒里的香气和二氧化碳迅速消失。

t分布

◆ 倒 酒 ◆

Guinness酒厂有两个品项的产品被收录在BJCP风格指南中。 Guinness Draught (健力士生啤) 被列举为15B.Irish Stout (爱尔兰世涛) 的常见酒款,Guinness Extra Stout (US version) 被视为15C.Irish Extra Stout (爱尔兰浓世涛) 的代表。但真正植入人心的品牌印象是Guinness Draught,颜色深黑,闻起来浓郁的咖啡味,有一层厚奶油般的细致泡沫,喝下去口感丝滑,Guinness like指的也就是具备这些特征。

用你中意的开瓶器开启瓶盖,把酒杯倾斜45°,稳妥起见你可以让杯底靠在桌上。然后啤酒瓶贴近酒杯口开始倒酒(但不要接触,以防止瓶口的细菌污染杯子)。控制酒体的落点在杯壁的中点处,让啤酒顺着杯壁速度平稳地流下,控制手别抖呀,以免溅出来。

图片 8

◆ 继 续 倒 满 ◆

深入人心的产品印象

倒了1/3至1/2的时候,慢慢将杯子端平,从杯子中间继续缓慢地倒完。这么做会让酒体盖上一层完美的泡沫。你可以观察泡沫出现的情况调整倒酒的速度以及瓶口与杯子的距离。作为参考,多数啤酒泡沫厚度最终控制在25-40mm比较合适。

会有这么独特令人印象深刻的外观及口感,皆得力于采用氮气添加。一般啤酒内溶解的气体是二氧化碳,二氧化碳会带给啤酒凉爽以及杀口感,泡沫也较大较粗糙。 1954 年,健力士酒厂开始了这个项目:寻找一种方法让酒吧侍者轻松便捷地倒出一杯富含泡沫的生啤,研发的方向就是将氮气加入啤酒中。终于在1959 年,他们成功了,用氮气和二氧化碳的混合气生产出第一桶健力士生啤。不同于二氧化碳,氮气具有更低的可溶性,当压力变小时会迅速脱离其溶解的液体中,形成细小的气泡。一杯氮气啤酒里面,大约产生 3000000 个氮气小气泡,这些小气泡们带来了高颜值及奶油般的绵密口感。在罐装及瓶装的版本中,Guinness也各自发明了能够产生氮气融入的小装置,知名的健力士小球( Guinness Draught Widget ) 及较少人知的火箭鱼鳍 ( Rocket Widget )。

上述方法对于大多数啤酒都适用。还有几种特殊啤酒,倒酒的方式更讲究一些:

图片 9

小麦啤酒:泡沫的生成会较为迅速,所以请温柔地对待她,倒的时候不要粗鲁急进。如果你在倒酒之前,把瓶子在桌上滚几圈,她的泡沫会像火山喷发的。

小球 vs 火箭

瓶内发酵啤酒:瓶内发酵会导致瓶底沉淀一些酵母。酵母让酒体显得浑浊,如果你不喜欢,试着倒的时候缓慢一点,并舍弃最后一小层酒;但其实不少人喜欢酵母的独特风味,并且其中富含维生素和营养。

近几年来,长相及内涵相近于氮气啤酒的饮料不断出现。在咖啡类饮料有今年开始星巴克力推的氮气咖啡,美国的精品咖啡鼻祖波特兰树墩城也推出了罐装的氮气咖啡在美国各地超市流通。茶饮料方面也有奶盖茶与氮气茶饮开始问世。可以预期的,国内氮气饮品市场将逐渐起步,准备好迎接这波氮气风潮了吗? 喝的时候别忘记跟Guinness这个老前辈致敬!

充氮气啤酒:比如健力士(Guinness),左手牛奶世涛氮气版(Lefthand Milk stout nitro),可以采用“二次倾倒法”:首先倒入2/3杯啤酒,静置约30秒,等啤酒中的氮气气泡溢出,然后再倒满整杯。

按照上面的步骤,

倒好一杯啤酒,深深嗅一口香气,好好享用吧!

♢ 醉 鬼 笔 记 ♢

创造4cm泡沫的完美倒啤酒三部曲

选择并彻底清洗啤酒杯

酒杯倾斜45°,啤酒瓶贴近酒杯口开始倒酒

倒了1/3至1/2时,慢慢端平杯子,从杯子中间继续倒完

企鹅吃喝指南

本文由优德88官方网站手机版发布于优德88手机版,转载请注明出处:一个伟大的酒厂,啤酒泡泡物理学

关键词:

为奥林匹克运动严阵以待,鲨鱼皮泳衣被禁的精

北京奥运会上,94%的奥运冠军身着“LZR Racer”,再次证明了Speedo的威力。 鲨鱼皮泳衣被禁 在国际泳联的新比赛规则中...

详细>>

这个微生物竟会采用,远远地离开过敏

而外人类以外,还有三个震天动地而“微小”的族群。对于它们来说,电与网络是生活与音讯传播的利器。 过去10年...

详细>>

很也许是错的,了解不了弯曲时间和空间

|· 本文来自“我是科学家”·| 皮克斯动画《勇敢传说》(Brave)海报,女主角的一头红发包含了10万个单独的有限元...

详细>>

长寿的法门在血液中,年轻血液再造小鼠

原标题:长寿的秘诀在血液中? 近日,哈佛大学干细胞研究所在《科学》杂志发表的两篇论文指出,给相当于人类...

详细>>