Des mathématiciens irlandais résolvent le problème de la bulle qui coule de Guinness

L'une des énigmes les plus intrigantes de la dynamique des fluides est le comportement déroutant des bulles de la Guinness, la célèbre stout irlandaise.

Comme de nombreux buveurs l'attesteront, les bulles de Guinness semblent couler à mesure que la boisson se dépose et que la tête se forme. Comment cela est-il possible, étant donné que les bulles sont moins denses que le fluide environnant et devraient donc s'élever ?

Au cours des dix dernières années environ, les physiciens ont commencé à cerner ce problème. Plus récemment, ils ont montré que ce ne sont pas les bulles qui coulent mais le liquide, qui circule de manière descendante près des parois vitrées et ascendante à l'intérieur. Tant que le flux descendant du liquide est plus rapide que le mouvement ascendant des bulles, elles semblent couler.

Mais cela laisse encore une énigme : pourquoi le liquide circule-t-il de cette façon ?

Aujourd'hui, une équipe dévouée de mathématiciens irlandais révèle la réponse. Eugene Benilov, Cathal Cummins et William Lee de l'Université de Limerick affirment que la dernière pièce de ce puzzle est la forme du verre, qui a une influence cruciale sur les schémas circulatoires du liquide.

Pour comprendre comment, rappelez-vous d'abord que le mouvement de chaque bulle exerce une traînée sur le liquide qui l'entoure. Imaginez maintenant ce qui se passerait s'il y avait une région de liquide contenant moins de bulles près de la paroi d'un verre de pinte et par conséquent une région de densité de bulles plus élevée près du milieu du verre.

Benilov et co disent que la traînée sera plus élevée dans la région où la densité de bulles est plus élevée, c'est-à-dire près du centre du verre. Cela crée un déséquilibre qui met en place un schéma de circulation dans lequel le liquide s'écoule vers le haut au centre du verre et vers le bas près des parois.

C'est exactement comme observé dans une pinte de Guinness. Mais qu'est-ce qui cause la région de faible densité de bulles près des parois de verre en premier lieu ?

Benilov et co imaginent que pour commencer, les bulles sont réparties uniformément dans tout le liquide. Dans un cylindre parfait, ils s'élèveraient simplement ensemble. Les bulles dans chaque volume de liquide sont régulièrement reconstituées par le bas.

Mais imaginez un contenant plus étroit en bas et plus large en haut pour que les parois s'élèvent en biais, comme dans un verre de pinte. Dans ce cas, le simple fait de faire monter les bulles crée une région de faible densité de bulles à côté de la paroi inclinée car les bulles ne se reconstituent pas régulièrement en dessous.

En revanche, la densité des bulles est plus élevée au milieu du verre car les bulles sont reconstituées par le bas.

Cela établirait exactement le schéma de circulation observé, disons Benilov et co.

Cet effet est bien connu dans la théorie de la sédimentation sous le nom d'effet Boycott. Il a été observé pour la première fois dans des tubes à essai contenant des globules rouges lorsqu'il a été découvert que les temps de sédimentation pouvaient être considérablement réduits en inclinant les tubes à essai, disent Benilov et co.

Ces gars-là ont même créé un modèle informatique du comportement des bulles dans Guinness qui confirme leur pensée.

La cerise sur le gâteau, cependant, est qu'il existe une expérience simple qui peut facilement confirmer la théorie.

Les expériences ne sont généralement pas le domaine des mathématiciens. Mais Benlivo et ses collègues font preuve d'une vaillance au-delà de l'appel du devoir mathématique en réalisant réellement l'expérience dans laquelle ils versent courageusement de la Guinness dans un cylindre. Si le conteneur est incliné, on observera des bulles se déplacer vers le haut près de sa surface supérieure et vers le bas près de sa surface inférieure, disent-ils.

Ils ont même créé une vidéo de cette expérience que vous pouvez télécharger ici (avi) .

Bien sûr, l'essence de la science expérimentale est la répétabilité. De nombreux lecteurs ne se contenteront pas de simples preuves visuelles d'une vidéo, mais insisteront pour répéter cette expérience à leur manière, peut-être dans une hôtellerie de leur choix. Tout à fait raison.

Mais si vous choisissez cette voie, n'oubliez pas que cette œuvre n'est pas entièrement fantaisiste. La compréhension de ces types d'écoulements pétillants est importante pour un certain nombre d'applications, telles que la fabrication de verres à champagne gravés de sites de nucléation, et des widgets et des technologies similaires pour favoriser le moussage dans les stouts, selon Benilov and co.

Les buveurs (et les serveurs) de Guinness seront également conscients d'un autre problème qui les afflige : le temps qu'il faut pour qu'une pinte de Guinness s'installe, ce qui est nettement plus long qu'avec la plupart des bières et des lagers.

Ce travail pourrait-il permettre de redessiner les verres de pinte de manière à inciter les stouts à s'installer plus rapidement ?

Nous suivrons de près les développements futurs.

Réf : arxiv.org/abs/1205.5233 : Pourquoi les bulles dans la Guinness coulent-elles ?

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