Quelques questions sur la physique des boissons gazeuses

Voici quelques questions au sujet de boissons gazeuses comme, la bière et les colas carbonatés qui reviennent de temps en temps dans les newsgroupes de physique. Pour la plupart, elles ont tendance à être des questions au sujets de phénomènes qui virent au mythe. Il est facile d'inventer des théories sur l'existence de ces phénomènes mais il est aussi facile d'effectuer des expériences simples qui montrent que ces effets sont au mieux imperceptibles. Ceci donne une bonne leçon sur la façon de procéder correctement à des expériences.

Comment le fait de taper une canette de cola ou de bière récemment agitée l'empêche de mousser à l'ouverture?

 
Cher Cecil:

J'ai toujours ri des gens qui, avant d'ouvrir une canette de boisson 
gazeuse qui a été agitée, tapent le couvercle de la canette avec leur
doigt pour qu'elle n'explose pas à l'ouverture.

Après de longues discussions nous avons même conçu une expérience
semi-scientifique en agitant une canette et en l'ouvrant après avoir
tapé le haut dans un cas, et pas dans l'autre, mais nous n'avons pas
trouvé de conclusion scientifique solide.

Nous aimerions savoir ce que vous, dans votre infinie sagesse, pensez
de cela.
--Benjie Balser, Dallas, Texas

Cher Benjie:

Ceci n'est pas un problème qui requiert une grande sagesse. C'est un
problème qui nécessite un QI autour de 2, apparemment un exploit pour
certaines personnes ces jours-ci.

Tout d'abord j'ai appelé les gens de Coke central à Atlanta. Je l'ai
fait dans un souci de perfection, si jamais les physiciens de Coke
avaient découvert dans la carbonatation des boissons des phénomènes de
mécanique quantique qui auraient jusque là échappé aux investigations
de la science. Toutefois, ils n'ont pas répondu à mes appels.

Il y a deux explications possibles à cela: (1) personne n'était là
dans l'usine, tout le monde étant parti écraser des vieilles
bouteilles d'Olympic, or (2) le message de Cecil était un peu trop
détaillé. 

Ceci est un risque inhérent à mon travail. Si vous dites à un
standardiste quelconque qu'on a une question au sujet de la volaille
et vous pouvez en fait passer au travers. D'un autre côté si vous leur
dites que vous voulez savoir si c'est l'oeuf qui vient d'abord ou le
poulet, ils vont tracer votre appel.

Ça ne fait rien. Tout d'abord considérons le problème d'un point de
vue théorique.

La gazéification est produite en forçant du dioxyde de carbone à se
dissoudre dans l'eau sous pression. Agitez la canette et vous créez
des milliers de bulles microscopiques. Chaque bulle offre une petite
surface où le CO2 peut rapidement sortie de la solution, ce qui
potentiellement peut engendrer une mousse abondante si jamais vous
ouvrez la canette prématurément.

Mais attendez un peu, et les bulles vont flotter en haut de la canette
et disparaître, et en fait tout sera comme avant. 

Mais supposons que vous êtes impatient. Vous tapez la canette.

Qu'est-ce donc, dites donc, que vous pensez qui va se passer? 
Allons nous agglutiner plus vite les petites bulles vers la surface, à
la manière des vaches se rassemblant en troupeaux?

Allons nous déloger quelques bulles collées aux parois de la canette?
Peut-être, mais la différence est mince. Ouvrez ce bébé et vous allez
toujours vous prendre une giclée de mousse dans la figure.

Nous avons confirmé ceci à notre satisfaction dans le Straight Dope
Backyard of Science avec une demi-douzaine de canettes de boissons
gazeuses. OK, je n'ai pas reproduit mes résultats 50 000 fois. Je
m'imagine que si des annonces extraordinaires demandent des preuves
extraordinaires, des annonces stupides demandent ... et bien, quelque
chose d'un peu moins rigoureux.

Je devrais vous dire que quand Little Ed a abordé ce sujet récemment
sur Usenet, il a reçu la réponse de, entre autres, un professeur de
sciences qui insistait sur le fait que taper la canette pouvait
vraiment réduire la mousse et se vantait d'une démonstration faite en
classe pour illustrer ce fait.

Nous avons répondu au professeur: est-ce qu'il avait, disons, tenté de
comparer la quantité de mousse produite avec ou sans tape sur la
canette -- une procédure expérimentale de base?

Rarement, répondit-il.

Le débat sur Usenet continua pendant des semaines. D'un côté il y
avait divers personnes instruites qui avançaient des raisons
théoriques pour lesquelles le fait de taper la canette pouvait réduire
la production de mousse. De l'autre, il y avait un groupe solide
d'expérimentateurs qui avaient continué de tenter mettre en évidence
"l'effet tape" et avaient échoué.

L'absence de confirmation expérimentale n'a pas suffi pour décourager
ceux qui y croyaient. Finalement un certain Martin, Heinz écrivit,
exaspéré:

"J'ai essayé de réaliser quelques `pseudo-expériences' (merci
beaucoup) qui m'ont amené à croire que taper la canette n'a *aucun*
effet. Toutefois, les variations sont sans fin. Des gens ont déclaré:

"1) Cela dépend de *comment* vous tapez. (En haut? Sur le côté?
En abaissant le doigt? en frappant [comme sur une porte]?)

"2) Déjà à quel moment la canette de soda est-elle agitée
suffisamment pour que l'effet agisse? (En agitant latéralement? De
haut en bas? Combien de temps? Avec quelle force? Est-ce que ça joue
si on extrait la canette d'un avion écrasé dans un incendie de forêt?)

"3) Cela dépend de quelle *sorte* de soda on utilise. J'ai
utilisé du Diet Coke, et quelqu'un a dit: ' Noooon, le NutraSweet met
tout par terre.'

"4) Ca dépend de la température du soda.

"5) Cela dépend du pays où on mène l'expérience, parce que
'taper' est l'un des mots Inuit relatifs au soda et veut dire: 'se
coller la canette au c...'.

"Vous êtes seul juge."

Vous aimeriez savoir ce qui a clos le débat. Mais un débat sur Usenet
ne s'arrête jamais. Il ne peut que tourner en rond sans aboutir à
d'autres conclusions.

Donc j'ai décidé d'en référer à l'autorité. Je sais, JE suis
l'autorité. Mais je pensais qu'il serait bon d'avoir un autre avis sur
la question.

J'ai appelé le physicien Jearl Walker, qui a écrit des articles sur
les boissons gazeuses dans le Scientific American.

Jearl, vous vous souvenez, c'est l'individu qui avait l'habitude de
plonger sa main dans un bac de plomb fondu, pour illustrer en classe
l'effet Leidenfrost.

Ceci fait soit un fou soit un génie, -- dans tous les cas quelqu'un
qu'on écoute avec respect.

Jearl avait entendu des affirmations similaires au sujet de
l'efficacité de taper et avait eu une réaction similaire: ces gens
sont des idiots. Il dit qu'il pouvait seulement attribuer la
persistance de cette pratique à la même pratique macho aujourd'hui en
désuétude qui consistait à taper le bout de la cigarette avant de
l'allumer.

Si vous voulez une vraie solution essayez ceci.

Il y a un fait implacable: une canette de boisson gazeuse tiède
agitée va produire plus de mousse qu'une canette froide agitée. Si
vous désirez absolument faire sauter le bouchon de ce récipient de
Jolt, enfermez le d'abord dans le réfrigérateur. VOus allez refroidir
le contenu et le dioxyde de carbone, une conséquence inévitable de
l'accroissement de la solubilité des gaz et de la loi de Charles. 

Complètement embrouillé? Bien. Laissez seulement la canette reposer le
temps nécessaire pour que les microbulles disparaissent.

Pour passer le temps vous pouvez même taper le couvercle de la
canette. Seulement, ne vous figurez pas que c'est le fait de taper qui
lui-même fait disparaître les bulles.

--CECIL ADAMS

Pourquoi agiter une bouteille ou une canette de bière ou de cola fait augmenter la pression à l'intérieur?

Réponse: Elle n'augmente pas!

Pour être plus précis, à condition que que la canette soit déjà à l'équilibre, l'agiter ne va pas causer un changement notable de la pression. Si une bouteille à été ouverte puis refermée elle ne sera plus à l'équilibre. Agiter la bouteille fera alors augmenter la pression. Si on la laisse au repos elle va lentement revenir à l'équilibre de toute façon, mais ceci peut prendre plusieurs heures si on ne l'agite pas.

La bière, les colas et autres boissons gazeuses contiennent du dioxyde de carbone qui est maintenu en solution dans le liquide par la pression. En fait il réagit avec l'eau pour former un acide faible qui augmente le goût de la boisson. Si cette dernière est restée au repos durant un long moment, le gaz dissous va être en équilibre avec le gaz au-dessus du liquide. L'agitation ne va pas causer de changement dans la pression tel qu'on puisse le détecter à la main.

Il est possible d'émettre des théories semblant plausibles qui prétendent que la pression augmente. Peut-être que des endroits où la pression serait pus faible pourraient être le lieu de naissance de bulles, lesquelles s'échapperaient de la solution mais ne seraient pas facilement réabsorbées sous haute pression. Il est aussi possible que l'agitation renverse la faible réaction entre le dioxyde de carbone et l'eau, éjectant du gaz de la solution. Pour montrer que ces théories sont incorrectes il suffit d'effectuer une expérience toute simple, mais il faut être minutieux pour éviter d'obtenir un résultat trompeur.

Voici une expérience que tout le monde peut tenter. Prenez six canettes de boissons gazeuses. Laissez les au repos pendant vingt-quatre heures à température ambiante pour s'assurer qu'elles sont à l'équilibre. Si les canettes sont sorties d'un réfrigérateur l'expérience sera invalide étant donné qu'elles peuvent se réchauffer durant l'expérience, et donc ne seront plus à l'équilibre.

Faites une marque en dessous de trois des canettes et agitez les vigoureusement. Les trois autres canettes devraient être laissées au repos pour pouvoir servir de témoin. Maintenant réquisitionnez quelqu'un pour intervertir au hasard les canettes pendant que vous regardez ailleurs, de sorte que vous ne savez plus lesquelles ont été agitées. Sans regarder les marques en dessous des canettes, essayez de trouver celles qui semblent être sous une pression plus grande que les autres. Enfin, regardez au dessous pour voir si vous avez réussi à trouver les trois qui ont été agitées. Bien sûr, vous avec une chance sur huit de trouver par hasard le résultat que vous attendez donc il pourrait être nécessaire de refaire cette expérience plusieurs fois pour améliorer les statistiques.

La raison pour laquelle on procède à l'aveugle est d'éviter d'estimer de façon erronée la pression en se basant sur un préjugé. Estimer la pression avec les doigts est très subjectif et ne peut avoir une quelconque valeur si vous savez quelles sont les canettes qui ont été agitées. Ce genre d'erreur expérimentale est en partie la cause de l'existence de ce mythe répandu.

Alors, pourquoi la canette mousse si violemment après avoir été agitée? Ceci est causé par les bulles générées par l'agitation. Celles-ci se multiplient et gonflent quand la canette est ouverte.

Mais que penser de l'anecdote selon laquelle une personne a une fois tellement agité une bouteille de cola en plastique qu'elle a éclaté? Et bien la pression à l'intérieur d'une bouteille de cola peut être raisonnablement grande, surtout si elle n'est pas froide. L'agiter violemment peut étirer la bouteille jusqu'à ses limites uniquement à cause de la force du liquide quand ce dernier frappe les parois. Additionné à l'augmentation de la pression engendrée par le fort serrage de la main nécessaire pour maintenir la bouteille quand elle est agitée, et il n'est pas difficile de la faire éclater.