Vous allez vous arracher les yeux : un bouchon de champagne sauté éjecte du CO2 à des vitesses supersoniques

Le pop d’un bouchon de champagne s’avère avoir quelque chose en commun avec un lance-roquettes, selon un article récent publié dans la revue Physics of Fluids. Des scientifiques français et indiens ont utilisé des simulations informatiques pour révéler en détail ce qui se passe dans les microsecondes après le débouchage d’une bouteille de champagne. Ils ont découvert que dans la première milliseconde après que le bouchon saute, le gaz éjecté forme différents types d’ondes de choc, atteignant même des vitesses supersoniques, avant que le pétillant ne se stabilise et ne soit prêt à être imbibé.

« Notre article dévoile les modèles d’écoulement inattendus et magnifiques qui se cachent sous notre nez chaque fois qu’une bouteille de champagne est débouchée », a déclaré le co-auteur Gérard Liger-Belair de l’Université de Reims Champagne-Ardenne. « Qui aurait pu imaginer les phénomènes complexes et esthétiques cachés derrière une situation aussi commune vécue par chacun d’entre nous ?

Liger-Belair pouvait l’imaginer, pour sa part. Il étudie la physique du champagne depuis des années et est l’auteur de Débouché : la science du champagne. Il a glané de nombreuses informations sur la physique sous-jacente en soumettant le champagne à la tomographie laser, à l’imagerie infrarouge, à l’imagerie vidéo à grande vitesse et à la modélisation mathématique, entre autres méthodes.

Selon Liger-Belair, l’effervescence du champagne provient de la nucléation de bulles sur les parois de verre. Une fois qu’elles se sont détachées de leurs sites de nucléation, les bulles grossissent en remontant à la surface du liquide, éclatant et s’effondrant à la surface. Cette réaction se produit généralement en quelques millisecondes et le son de crépitement distinctif est émis lorsque les bulles se rompent. Lorsque les bulles du champagne éclatent, elles produisent des gouttelettes qui libèrent des composés aromatiques censés rehausser davantage la saveur.

De plus, la taille des bulles joue un rôle essentiel dans une très bonne coupe de champagne. Des bulles plus grosses améliorent la libération d’aérosols dans l’air au-dessus du verre – bulles d’environ 1,7 mm sur la surface. Et les bulles de champagne « sonnent » à des fréquences de résonance spécifiques, en fonction de leur taille. Il est donc possible « d’entendre » la distribution de taille des bulles lorsqu’elles remontent à la surface d’une coupe de champagne.

Comme nous l’avons signalé précédemment, le champagne est généralement fabriqué à partir de raisins cueillis tôt dans la saison, lorsqu’il y a moins de sucre dans les fruits et des niveaux d’acide plus élevés. Les raisins sont pressés et scellés dans des récipients pour fermenter, comme n’importe quel autre vin. CO₂ est produit pendant la fermentation, mais on le laisse s’échapper car ce que vous voulez à ce stade, c’est un vin de base. Puis il y a une seconde fermentation, sauf cette fois, le CO₂ est emprisonné dans la bouteille, se dissolvant dans le vin.

Il est essentiel de trouver le juste équilibre. Vous avez besoin d’environ six atmosphères de pression et de 18 grammes de sucre, avec seulement 0,3 gramme de levure. Sinon, le champagne obtenu sera soit trop plat, soit trop de pression fera exploser la bouteille. Il faut aussi la bonne température, qui influence la pression à l’intérieur de la bouteille. Ce CO à haute pression₂ est finalement libéré lorsque le bouchon est sauté, libérant un panache de gaz mélangé à de la vapeur d’eau qui se dilate hors du goulot d’étranglement et dans l’air ambiant.

Des travaux expérimentaux antérieurs de Liger-Belair et de ses collègues ont utilisé l’imagerie à grande vitesse pour démontrer que des ondes de choc se formaient lorsqu’un bouchon de champagne sautait. Avec la présente étude, « Nous avons voulu mieux caractériser le phénomène inattendu d’un écoulement supersonique qui se produit lors du débouchage d’une bouteille de champagne », a déclaré le co-auteur Robert Georges de l’Université de Rennes 1. « Nous espérons que nos simulations offriront des pistes intéressantes. aux chercheurs, et ils pourraient considérer la bouteille de champagne typique comme un mini-laboratoire. »

Sur la base de ces simulations, l’équipe a identifié trois phases distinctes. Initialement, lorsque la bouteille est débouchée, le mélange gazeux est partiellement bloqué par le bouchon, de sorte que l’éjecta ne peut pas atteindre la vitesse du son. Au fur et à mesure que le bouchon se libère, le gaz peut alors s’échapper radialement et atteindre des vitesses supersoniques, formant une succession d’ondes de choc qui équilibrent sa pression.

Ces ondes de choc se combinent ensuite pour former des motifs annulaires révélateurs connus sous le nom de diamants de choc (c’est-à-dire des diamants de poussée ou des diamants Mach d’après Ernst Mach, qui les a décrits pour la première fois), généralement observés dans les panaches d’échappement des fusées. Enfin, l’éjecta ralentit à nouveau à des vitesses subsoniques lorsque la pression chute trop bas pour maintenir le rapport de pression de buse requis entre le goulot d’étranglement et le bord du bouchon.

La recherche est pertinente pour un large éventail d’applications impliquant un écoulement supersonique, y compris les missiles balistiques, les éoliennes, les véhicules sous-marins et bien sûr, un lance-roquettes. « Le sol qui s’éloigne du lanceur en s’élevant dans les airs joue alors le rôle du bouchon de champagne sur lequel viennent s’impacter les gaz éjectés », expliquent les auteurs. « De même, les gaz de combustion éjectés du canon d’une arme à feu sont projetés à des vitesses supersoniques sur la balle. Les problèmes sont confrontés aux mêmes phénomènes physiques et pourraient être traités avec la même approche. »

DOI : Physique des fluides, 2022. 10.1063/5.0089774 (À propos des DOI).