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Champagne : quelle onde de choc au débouchage !

Champagne : quelle onde de choc au débouchage !

Figure 1. Séquences haute-vitesse qui illustrent la formation du jet de CO2 supersonique lors du débouchage d’une bouteille de champagne sous 7,5 bars de pression (A), et sous 10,2 bars de pression (B). © Equipe Effervescence/GSMA

Le débouchage d’une bouteille de champagne permet de revisiter la physique des jets supersoniques, comme vient de le montrer l’équipe de chercheurs dirigée par Gérard Liger-Belair à l’université de Reims. Pour des bouteilles dont la pression dépasse sept bars, le débouchage provoque une onde de choc similaire à celles qui se forment dans les gaz soufflés par les tuyères des réacteurs d’un avion de chasse ou d’une fusée.

En moyenne et sur une année, ce sont près de dix bouchons de champagne qui sautent chaque seconde à l’échelle du globe ! Et ce chiffre explose bien entendu le jour de la Saint-Sylvestre. Les tout premiers millièmes de secondes qui suivent le débouchage d’une bouteille de champagne retiennent aujourd’hui toute notre attention, car c’est l’instant précis où les vapeurs de dioxyde de carbone (CO2) sous pression dans le col de la bouteille se libèrent pour permettre au gaz carbonique dissous dans le champagne de s’échapper sous forme de bulles. Au moment du débouchage, toute l’énergie enfermée dans une bouteille sous pression se libère en quelques millièmes de seconde. Nous avons souhaité immortaliser ce moment fugace à l’aide d’une caméra ultra-rapide pour en décrypter tous les mécanismes. La physique du phénomène a été décortiquée et le rôle de chaque paramètre analysé.

Un jet bleu azur à 20 °C

Lorsque le bouchon saute, le gaz carbonique sous pression dans le col de la bouteille se détend brutalement hors du goulot sous la forme d’un jet supersonique qui propulse le bouchon à une vitesse de l’ordre de 50-60 km/h (figure 1). Or, les lois de la physique imposent que la température du jet de gaz qui se détend chute concomitamment de plusieurs dizaines de degrés. Pour des bouteilles dont la pression dépasse 6 à 7 bars, le jet de gaz carbonique qui jaillit hors du goulot voit sa température chuter sous la température de solidification du CO2 gazeux (qui est de l’ordre de -79 °C). Le jet de CO2 supersonique cristallise alors sous forme de paillettes de neige carbonique. Ces minuscules cristaux de neige carbonique diffusent la lumière ambiante et le jet de CO2 est alors rendu visible à l’aide d’une caméra ultra-rapide qui filme 12 000 images par seconde. La couleur du jet passe du bleu azur pour une bouteille à 20 °C (sous 7,5 bars), au blanc gris pour une bouteille à 30 °c (sous 10,2 bars), comme illustré sur la figure 1. C’est la taille des cristaux de neige carbonique et leur nombre qui sont responsables de la couleur du jet.

Disques de Mach

Figure 2. Séquence haute-vitesse qui illustre l’apparition (flèche blanche), la progression, puis la disparition d’une onde de choc dans le jet de gaz qui s’échappe du goulot d’une bouteille sous 7,5 bars de pression. Le temps écoulé depuis le débouchage apparait sur chaque cliché (en µs). © Equipe Effervescence/GSMA

De plus, une onde de choc transversale caractéristique des jets très supersoniques (dont la vitesse avoisine Mach 2) a été mise en évidence dans le sillage du bouchon qui saute. Elle apparaît environ 500 µs après le débouchage, puis progresse dans le sillage bleuté du bouchon, avant de s’évanouir moins d’une milliseconde après l’expulsion du bouchon, lorsque la vitesse d’éjection des gaz devient subsonique (figure 2). Ce phénomène fascinant est connu des ingénieurs de l’industrie spatiale et aéronautique. On retrouve ces ondes de choc transversales (connues sous le nom de disques de Mach) dans le panache d’échappement supersonique soufflé par les tuyères des réacteurs d’un avion de chasse ou d’une fusée (figures 3 et 4). Ces disques de Mach apparaissent lorsque la différence de pression entre les gaz soufflés par la tuyère d’un réacteur et l’air ambiant dépasse un certain seuil. Pendant la toute première milliseconde qui suit l’expulsion du bouchon, le goulot d’une bouteille de champagne se comporte un peu comme la tuyère d’un réacteur de fusée. Qui l’eut cru !

AUTEURS : Gérard Liger-Belair, Daniel Cordier, Clara Cilindre, Jacques Honvault


Figure 3. Disques de Mach dans les jets de gaz soufflés par les tuyères des réacteurs d’un F-15. © US Air Force/Senior Airman Matthew Bruch

 

Figure 4. Disque de Mach dans le jet de gaz soufflé par la tuyère d’un prototype de réacteur de fusée. © NASA