Warum ist das Reißen von Klebeband so laut? Denn das entspricht in etwa einem Raketenstart

Wenn von Überschall-Stoßwellen die Rede ist, denken wir unbewusst vielleicht an Atomexplosionen, Düsenjäger, Raketenstarts usw. Wie man es auch dreht und wendet: Diese Energieausbrüche haben nichts mit dem Knallenlassen von Champagner zu tun. Interessanterweise ist das Öffnen einer Champagnerflasche laut einer Studie von „Champagneology“ dem Start einer Minirakete sehr ähnlich, da beide Methoden Überschall-Stoßwellen erzeugen.

Nach einem heftigen Schütteln starrten wir auf die Champagnerflasche und erwarteten, dass der Korken in der nächsten Sekunde herausspringen würde. Mit einem „Knall“ strömten Wein und Schaum heraus und die Menge jubelte – ein typisches Bild bei Feierlichkeiten. Dies ist jedoch nicht die richtige Art, Champagner zu öffnen. Es ist ziemlich gefährlich und jedes Jahr werden Menschen verletzt.

Beginnen wir noch einmal von vorne, ohne den Champagner zu schütteln und den Draht zu entfernen, der den Korken umhüllt. Drücken Sie mit einer Hand auf den Korken und drehen Sie die Flasche langsam mit der anderen Hand. Der Korken wird durch den Luftdruck in der Flasche langsam herausgedrückt und springt dann mit einem „Plopp“-Geräusch heraus, woraufhin ein leichter weißer Nebel an der Flaschenöffnung erscheint.

Vielleicht war es der weiße Nebel, der die Aufmerksamkeit der Menschen auf sich zog. In einem Artikel in Science Advances aus dem Jahr 2019 verwandelte sich ein Physiker in einen „Champagner-Gelehrten“ und hatte plötzlich die Idee, mit einer Hochgeschwindigkeitskamera den Moment festzuhalten, in dem eine Flasche Champagner geöffnet wird. Sie stellten überrascht fest, dass der unter hohem Druck stehende Luftstrom, der aus der Flasche austrat, nachdem der Korken herausgesprungen war, eine Überschall-Stoßwelle bildete.

Bei Überschall-Stoßwellen handelt es sich im Wesentlichen um Störungen des umgebenden Mediums (z. B. Luft), die durch ein sich mit Überschallgeschwindigkeit bewegendes Objekt verursacht werden, wodurch sich vor dem Objekt kontinuierlich ein komprimierter Luftstrom bildet. Diese komprimierten Luftströme transportieren enorme Energiemengen und wirken in Form von Überschall-Luftwellen auf die Umgebung ein.

In der oberen rechten Ecke des Bildes wird die Aufnahmezeit angezeigt: von 583 Mikrosekunden bis 1000 Mikrosekunden. Die Hochgeschwindigkeitskamera erfasste, dass sich der Mach-Ring (die durch den Pfeil angezeigte Position) allmählich von der Flaschenöffnung bis zur Position E in Abbildung 1 entfernte und sich schließlich in Abbildung F vollständig auflöste. (Bildquelle: Originalartikel)

Mach-Ring

Luftströmungen sind normalerweise farblos, das heißt, wir können die Stoßwellen nicht direkt sehen. Warum also kann eine Kamera die Überschall-Stoßwelle an der Öffnung einer Champagnerflasche einfangen? Tatsächlich wäre es genauer, nicht zu sagen, wir hätten eine Überschall-Stoßwelle gesehen, sondern zu sagen, wir hätten ein Phänomen beobachtet, das nur durch einen Überschall-Luftstrom entstehen kann.

Wenn Sie sich diese Fotos vom Öffnen von Champagner genau ansehen, werden Sie eine weiße Linie bemerken, die sich allmählich von der Flaschenöffnung wegbewegt, bis sie verschwindet. Wenn Sie jedoch von direkt über der Flaschenöffnung nach unten schauen, werden Sie feststellen, dass diese Linie tatsächlich ein Ring ist – dies ist die Mach-Scheibe .

Am Heck des Kampfjets J-20 meines Landes ist eine Reihe heller Lichthöfe – Mach-Ringe – zu sehen. (Fotoquelle: Xinhuanet)

Wenn Sie schon einmal den Start eines Überschallflugzeugs oder einer Rakete beobachtet haben, ist Ihnen vielleicht aufgefallen, dass sich dahinter immer eine Reihe heller Lichthöfe befindet, bei denen es sich ebenfalls um Mach-Schleifen handelt. Sowohl Raketen als auch Flugzeuge müssen einen Überschall-Luftstrom ausstoßen, um einen starken Schub zu erzielen. Der Druck des Überschallluftstroms ist sehr hoch, sodass er sich direkt ausdehnt, wenn er aus der Düse in die Atmosphäre ausgestoßen wird. Der Druck des Luftstroms ist nach der Expansion jedoch niedriger als der atmosphärische Druck, sodass er erneut komprimiert wird. Auf diese Weise wechselt der Überschallluftstrom zwischen Expansion und Kompression hin und her. Bei diesem Vorgang entstehen Expansions- und Kompressionswellen. Die beiden treffen sich und überlappen sich während des Ausbreitungsprozesses, um kreisförmige Ringe zu bilden, die Mach-Ringe sind.

Es ist nicht schwer, die notwendigen Bedingungen für das Auftreten des Mach-Ring-Phänomens zu erkennen: Eine davon ist ein Überschall-Luftstrom; der andere Grund ist, dass der Luftstromdruck nicht dem Umgebungsdruck entspricht. Ersteres erfüllt die Bedingungen für das Auftreten von Stoßwellen; Letztere können Veränderungen im Luftstrom und damit unterschiedliche Wellen hervorrufen.

Die Mach-Schleifen an der Öffnung einer Champagnerflasche haben die gleiche Ursache wie die Mach-Schleifen am Heck einer Rakete, es gibt jedoch einen wesentlichen Unterschied zwischen beiden: die Temperatur des Überschall-Luftstroms . Sobald der Champagnerkorken knallt, tritt ein schnelles Überströmen der Luft in der Flasche ein, wodurch der Luftdruck und die Temperatur in der Flasche stark abfallen. Das Gemisch aus Kohlendioxid und Wasserdampf kondensiert zu Eiskristallen und bildet einen grauweißen Nebel. Daher erscheinen die Mach-Ringe an der Öffnung einer Champagnerflasche im weißen Nebel. Die Temperatur des von der Rakete ausgestoßenen Luftstroms ist zu hoch, wodurch die geringe Menge des darin eingemischten Treibstoffs entzündet wird, was den Mach-Ring besonders grell macht.

In dem Moment, in dem der Korken herausspringt

Obwohl bekannt ist, dass der aus der Öffnung einer Champagnerflasche austretende Luftstrom die Schallgeschwindigkeit überschreiten und Mach-Ringe erzeugen kann, sind der genaue Vorgang und der physikalische Mechanismus noch nicht geklärt. In einem in diesem Jahr in der Fachzeitschrift „Physics of Fluids“ veröffentlichten Artikel haben Wissenschaftler mithilfe von Computersimulationen den Prozess der Entstehung, Entwicklung und schließlich Auflösung der Stoßwelle in der Millisekunde (1000 Mikrosekunden) beim Knallen des Champagnerkorkens genauer untersucht.

Champagner ist reich an Kohlendioxid und der Luftdruck in der Flasche beträgt etwa das Sechsfache des atmosphärischen Drucks. Das komprimierte Kohlendioxidgas in der Flasche übt ständig eine nach außen gerichtete Kraft auf den Korken aus und versucht, ihn herauszudrücken. Unter stabilen Bedingungen gleicht die Haftreibung zwischen Korken und Flaschenwand den nach außen gerichteten Druck aus. Sobald Sie jedoch anfangen, den Korken zu drehen, verwandelt sich die Haftreibung schnell in Gleitreibung und kann dem Luftdruck nicht mehr entgegenwirken. Der Korken ist jetzt wie eine Rakete und startklar.

Computergeneriertes Bild. Von oben nach unten entspricht jede Reihe der ersten, zweiten und dritten Phase der Stoßwellenentwicklung. Bei 500 Mikrosekunden in der ersten Reihe war der Korken gerade herausgesprungen und der Luftstrom konnte sich nur seitlich entlang des Spalts zwischen Korken und Flaschenmündung ausbreiten; Bei 917 Mikrosekunden in der zweiten Reihe war der Korken in einem gewissen Abstand von der Flaschenöffnung und der Luftstrom konnte direkt ausgestoßen werden, würde jedoch mit dem Korken kollidieren und eine gekrümmte Stoßwelle bilden; Bei 1167 Mikrosekunden in der dritten Reihe verringerte sich der Druckunterschied zwischen der Innen- und Außenseite der Flasche und konnte den Luftstrom nicht mehr mit Überschallgeschwindigkeit entweichen lassen. Von links nach rechts zeigt jede Spalte die räumliche Verteilung von Strömungsgeschwindigkeit, Luftdruck und Temperatur. Durch die Kombination von Zeilen- und Spaltenvariablen können wir den Status jeder Phase und die Intervallverteilung verschiedener Variablen sehen. (Bildquelle: Originalartikel) Laut Computersimulation können die Veränderungen des Überschallluftstroms in der Millisekunde nach dem Herausspringen des Korkens in drei Phasen beschrieben werden:

In der ersten Phase des Herausspringens des Korkens (innerhalb von 600 Mikrosekunden) entweicht der Kohlendioxidgasstrom in der Flasche mit Überschallgeschwindigkeit, ein Vorgang, der dem Beschleunigungsprozess des Luftstroms bei einem Raketenstart sehr ähnlich ist. Die Düse am Heck der Rakete hat die Form eines Trichters, der auf beiden Seiten breit und in der Mitte schmal ist und auch Lavaldüse genannt wird. Der erhitzte Hochdruckluftstrom wird nach der Zündung weiter komprimiert und beschleunigt, während er durch die sich allmählich verengende vordere Hälfte der Düse strömt. Die sich verjüngende Form des Champagnerflaschenhalses hat einen ähnlichen Effekt und beschleunigt den Luftstrom an der Flaschenöffnung auf Überschallgeschwindigkeit.

So wie sich eine Menschenmenge langsam bewegt, wenn sie an einer engen Kreuzung feststeckt, sich aber zerstreut und beschleunigt, sobald sie einen offenen Raum erreicht, so dehnt sich auch der Luftstrom schnell aus und beschleunigt, wenn er in einen offenen Raum eintritt, nachdem er durch einen engen Pfad komprimiert wurde. Daher erreicht der Hochdruckluftstrom Überschallgeschwindigkeit, wenn er aus der Flaschenöffnung entweicht und in die Außenumgebung mit relativ niedrigem Druck eintritt. während der Raketenluftstrom in der zweiten Hälfte der Düse Überschallgeschwindigkeit erreichen kann. Anders als bei einer Rakete bewegt sich der Korken an der Öffnung einer Champagnerflasche im Vergleich zum Luftstrom zu langsam, wodurch der direkte Luftstrahl blockiert wird. In diesem Stadium kann sich der Überschall-Luftstrom nur seitlich entlang des Spalts zwischen Korken und Flaschenmündung ausdehnen und entweichen, wodurch eine Koronalstoßwelle und das Mach-Ring-Phänomen entstehen.

In der zweiten Phase , wenn der Korken die Flaschenöffnung verlässt (zwischen 600 und 1000 Mikrosekunden), kann das Gas in der Flasche, während es weiter entweicht, schließlich wie ein raketenartiger Luftstrom gerade herausgeschleudert werden und kollidiert dann mit dem Korken in etwas größerer Entfernung, wodurch eine gekrümmte Stoßwelle entsteht.

In der dritten Phase (mehr als 1000 Mikrosekunden) gleicht sich der Druck in der Flasche allmählich dem atmosphärischen Druck an, der Druckunterschied an der Flaschenöffnung kann nicht aufrechterhalten werden und der Luftstrom verliert an Kraft. Daher wird der Strahlluftstrom immer langsamer, bis er unter die Schallgeschwindigkeit fällt und die Stoßwelle sich vollständig auflöst.

Vom Leben inspiriert

Diese interessante Forschung, die Raketenstarts mit dem Öffnen von Champagnerflaschen in Verbindung bringt, fördert nicht nur den Fortschritt der „Champagnerologie“-Forschung, sondern bietet auch Referenzen für eine Reihe wichtiger angewandter Forschungen, wie etwa zur Ballistik von Raketen- und Flugkörperstarts. Die Forschung könnte auch Ingenieuren bei der Entwicklung von Unterwasserfahrzeugen und Windturbinen helfen, indem sie ihnen ein besseres Verständnis der Strömungsdynamik vermittelt – des Prozesses, bei dem sich flüssige Materie unter dem Einfluss von Kräften bewegt.

Tatsächlich ist das Öffnen einer Champagnerflasche jedoch nicht das einzige Ereignis in unserer Umgebung, das Überschall-Stoßwellen erzeugen kann. Ich frage mich, ob Ihnen im Leben schon einmal zwei sehr durchdringende Geräusche aufgefallen sind: das „Rip!“ Geräusch beim Abreißen des transparenten Klebebands und das „Knack! Knack!“ Geräusch beim Knallen einer Peitsche zum Training im Park.

Wenn Sie das Band kräftig zerreißen, werden Sie feststellen, dass das Band immer wieder in Stücke gerissen wird und Sie eine Reihe von „Reißgeräuschen“ hören. Wenn Sie das Klebeband mit Kraft von der Oberfläche abziehen, auf der es befestigt ist, dehnt sich der Klebstoff des Klebebands wie eine Feder und speichert elastische potentielle Energie (es kann also nicht kontinuierlich auseinandergezogen werden). Nachdem die Klebe-„Feder“ aufgrund der Unfähigkeit, größeren Zugkräften standzuhalten, bricht, wird die angesammelte elastische potentielle Energie an der Spaltkante des Bandes (der Trennlinie zwischen dem befestigten Band und dem getrennten Band) sofort in kinetische Energie umgewandelt.

Filmt man diesen Vorgang mit einer Hochgeschwindigkeitskamera, sieht man, dass sich die Spaltkante des Bandes mit einer Geschwindigkeit von 650 bis 900 Metern pro Sekunde bewegt, also weit über der Schallgeschwindigkeit und sogar schneller als ein Kampfjet. Dies bedeutet, dass jedes Mal, wenn das Klebeband potenzielle Energie aufbaut und sich dann ablöst, eine winzige Überschall-Stoßwelle freigesetzt wird. Daher ist es nicht schwer zu verstehen, dass die Häufung kleiner Überschallknalle für uns sicherlich hart klingt.

Beim Abreißen des transparenten Klebebandes ist ein scharfes „Reißgeräusch“ zu hören (Bildquelle: Pixabay)

Manche Leute verwechseln möglicherweise das laute „Knack! Knack!“ Das Geräusch von Peitschen im Park wird mit dem Geräusch von Peitschen, die auf den Boden treffen, verglichen, aber in Wirklichkeit handelt es sich dabei um kleine Überschall-Stoßwellen, die in der Luft explodieren. Wenn eine Person eine Peitsche kräftig schwingt, wird kinetische Energie auf die Peitsche übertragen. Normalerweise ist der Griff einer Peitsche dicker und hat eine größere Masse. Wenn die kinetische Energie entlang des weichen Peitschenkörpers auf die dünne und leichte Peitschenspitze übertragen wird, ist die Geschwindigkeit der Peitschenspitze, um die Impulserhaltung zu gewährleisten, viel größer als die Geschwindigkeit des Griffs und kann leicht die Schallgeschwindigkeit überschreiten, wodurch eine lokale Überschall-Stoßwelle entsteht.

Dieses Phänomen ist auch als Peitscheneffekt bekannt. Wie das Öffnen einer Champagnerflasche entspringt es dem Leben, beinhaltet aber auch komplexe physikalische Mechanismen.

Wenn jetzt jemand fragen würde: Was haben Champagner, Klebeband und Peitschen gemeinsam?
Wissen Sie, was Sie antworten sollen?

Quelle: Wissenschaft nach Hause bringen