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5 febrero 2013
Por qué las burbujas de una Guinness descienden por la pared interna de la pinta
Los bebedores de cerveza Guinness saben que para disfrutar de una pinta bien servida hay que esperar. Muchos habrán observado en la pinta ya servida que hay burbujas que en lugar de subir descienden por la pared interna del vaso. La razón es que las burbujas de esta cerveza son muy pequeñas (porque tienen nitrógeno además de carbónico) y tras la “subida” de la cerveza se forma una zona de reflujo cerca de la pared, una capa límite delgada en la que el fluido se mueve hacia abajo llevado por y llevando con él las burbujas. La clave del reflujo es la geometría del vaso de la pinta y la interacción entre las burbujas y el fluido. Así lo afirma un nuevo artículo en American Journal of Physics que ha estudiado gracias a COMSOL la fluidodinámica de la cerveza en una vaso de un pinta y en un vaso de “antipinta” (como muestra la figura). El artículo técnico es E. S. Benilov, C. P. Cummins, W. T. Lee, “Why do bubbles in Guinness sink?,” Am. J. Phys. 81: 88-91, 2013 [arXiv:1205.5233].
Este corto vídeo muestra el efecto de las burbujas descendiendo (en la lado derecho de la pinta). A 6º C, la temperatura óptima para consumir una Guinness, la densidad y viscosidad del líquido es de 1007 kg/m³ y 2,06 mPa, y las del gas de las burbujas 1223 kg/m³ y 0,017 mPa (según las medidas de los autores del artículo). El número de Bond (que determina la forma de las burbujas) es de sólo Bo 0,002, luego los efectos de la tensión superficial dominan y las burbujas son esferas casi perfectas. Usando la fórmula de Stokes para estimar la velocidad de caída de las burbujas se obtiene un número de Reynolds de Re 0,24 (que confirma la validez de la fórmula de Stokes). Una vez servida, los autores estiman que la fracción entre el volumen de las burbujas y el volumen total de la mezcla (líquido y burbujas) es de unas 0,02. Usando estos datos han simulado el flujo del líquido en una pinta de Guinness utilizando el programa de elementos finitos COMSOL y lo han comparado que el obtenido para una anti-pinta (un vaso que tuviera la forma de una pinta pero invertida). Los interesados en conocer los detalles sobre cómo se simulan fluidos con dos fases en COMSOL pueden consultar A. Sokolichin, G. Eigenberger, A. Lapin, “Simulation of buoyancy driven bubbly flow: Established simplifications and open questions,” AIChE Journal 50: 24–45, Jan 2004.
Como muestra la figura que abre esta entrada, para una pinta se observa un vórtice alargado que provoca un flujo descendente cerca de la pared interior del vaso. En la anti-pinta existe un vórtice similar pero que gira en la dirección opuesta y se encuentra en una posición más alta. Lo más destacable es que el movimiento descendente de las burbujas está muy cerca de la pared, en una capa límite de poca anchura.
La explicación del fenómeno observado es la siguiente. El movimiento de las burbujas ejerce una fuerza de arrastre sobre el líquido circundante. Una distribución uniforme de burbujas que se mueven todas en la misma dirección no daría lugar a ninguna circulación en el líquido. Sin embargo, una región de baja densidad de burbujas cerca de la superficie interior del cristal (debido a la geometría en forma de pinta del vaso), haría que la fuerza de arrastre del líquido cerca de esta superficie fuera menor que en el interior, lo que induciría una circulación del fluido y la formación de un vórtice (cerca de la pared las burbujas descienden y en el interior ascienden). Para la anti-pinta el mismo argumento da lugar a un vórtice en dirección contraria; la mayor densidad de burbujas cerca del cristal hace que allí la velocidad del fluido sea mayor y el vórtice que se produce gira en el sentido contrario. En resumen, la geometría del vaso es clave para la observación del fenómeno de las burbujas que descienden.
La próxima vez que disfrutes de un Guinness no olvides observar el movimiento de las burbujas.
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