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Hidrodinámica de la cerveza

mayo 19, 2017

El estudio de la física de la cerveza es fascinante a la vez que complejo. Cuestiones como el proceso de formación de burbujas o la creación de espuma involucran la física de fluidos con múltiples fases, por ejemplo. Pero también hay espacio para el estudio puramente hidrodinámico de la cerveza. Una investigación que en su momento tuvo un eco importante en los medios de comunicación científica fue el estudio experimental realizado por ingenieros de la Universidad Carlos III de Madrid sobre la causa del fenómeno del golpe de la cerveza. Que al golpear una botella de cerveza se genera un chorro intenso de espuma en el momento en que ésta se abre. En su artículo Javier Rodríguez-Rodríguez, Almudena Casado y Daniel Fuster describen el proceso que implica tres fases de fenómenos de la mecánica de fluidos complejos. No sólo el proceso de formación de las burbujas es importante, también hay que tener en cuenta las ondas que se generan en el seno de la cerveza o los fenómenos de estratificación.

Otro ejemplo muy interesante de estudio hidrodinámico de procesos de la física de la cerveza es el estudio del movimiento aparente anómalo de las burbujas de las cervezas stout con nitrógeno, como es el caso de la marca comercial Guinnes, aunque no es la única cerveza de estas características. En el seno de una pinta de esta cerveza se producen fenómenos físicos muy interesantes, pero también bastante complejos para su modelización. La formación de burbujas en refrescos o cervezas carbonatados se debe a una diferencia entre la presión del exterior y la del recipiente en la que están confinadas, de modo que al abrirse este el gas confinado a presión (o generado en un proceso de fermentación) éste tiende a salir como resultado de que la presión atmosférica es menor que la del recipiente, lo que da lugar a la formación de las burbujas. Como las burbujas son menos densas que el líquido en que están contenidas, tal como predice el principio de Arquímedes. Pero la formación y transporte de burbujas en las pintas de Guinness parece contradecir este esquema.

Desde hace ya tiempo se ha afirmado que parte de las burbujas se desplazan hacia el fondo del vaso de pinta a través de sus paredes en vez de ascender. Algunos autores sugirieron que esto podría explicar como el resultado de una ilusión óptica del bebedor, sobre todo en los casos en que la observación del proceso de llenado del vaso se produjese tras haberse bebido unas cuantas pintas anteriormente. Pero las modernas técnicas de visualización de fluidos han demostrado que el efecto del movimiento contrario al esperado a priori es cierto. ¿Cómo se explica entonces que las burbujas desciendan en vez de ascender? La respuesta está en que además de tener en cuenta el efecto de las fuerzas responsables de la flotabilidad hay que tener en cuenta también las corrientes que se producen en el seno del vaso. El proceso es el resultado del hecho de que en el seno de la cerveza se generan burbujas de diferente tamaño, de modo que las burbujas más grandes ascienden en el centro del vaso, como es de esperar. Pero este movimiento de ascensión de las burbujas más grandes conlleva un aumento de las fuerzas de arrastre sobre las burbujas pequeñas, de modo que esta es mayor que la de flotabilidad y las burbujas más pequeñas son arrastradas hacia abajo por corrientes descendentes en las paredes del vaso. El patrón de las ondas observadas con métodos de visualización de flujos se deben a un fenómeno de inestabilidad hidrodinámica.

Pero no sólo es interesante el proceso de transporte de las burbujas, también el de su formación. En la Guinness se añade gas nitrógeno, lo que tiene importantes consecuencias en lo que respecta a la formación de las burbujas. Las características de las burbujas de nitrógeno son las responsables de la textura característica de la espuma de esta cerveza. También aportan un sabor más suave que otros tipos de cerveza, ya que el nitrógeno no da lugar a una mezcla ácida en su disolución, frente a lo que sucede en otras bebidas como el cava, champán y otros tipos de cerveza (el proceso de formación de las burbujas es más explosivo en el champán que en las cervezas). Además, al ser el nitrógeno menos soluble que el dióxido de carbono se generan burbujas más pequeñas, lo que da lugar precisamente al fenómeno de las burbujas que se hunden en vez de ascender. La desventaja que tiene el nitrógeno es que la espuma se forma con más dificultad, de ahí que las latas y botellas de la variedad Draught de Guinness lleven un dispositivo especial que facilita su aparición, haciendo que la abertura de salida resulte lo más estrecha posible para que la diferencia de presiones entre el interior y el exterior sea la máxima posible.

Otras investigaciones, como la de Benilov et al también han analizado el origen de la circulación que transporta a las burbujas en el vaso, y el efecto de la forma de éste en el fenómeno del descenso de las burbujas. A partir del desarrollo de los modelos numéricos creados por estos autores se demuestra que la forma del vaso es fundamental para que se produzca el peculiar movimiento de las burbujas. Lo que es compatible con lo observado en el vídeo de Alexander y Zare.

Estos ejemplos demuestran las posibilidades que aporta el estudio de la física de la cerveza, ya que la información obtenida en este tipo de investigaciones es susceptible de ser aplicada en otros ámbitos más allá de la ciencia de la alimentación. Pero sobre todo son ejemplos de cómo fenómenos cotidianos y asociados con las actividades lúdicas pueden servir como elementos importantes en la divulgación y comunicación de la física. Con todo lo que eso implica, sobre todo para quienes disfrutamos bebiendo cerveza.

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