Déboucher une bouteille de champagne, c'est supersonique

Lorsque vous déclenchez le fameux « pop » en ouvrant une bouteille de champagne, un mécanisme physique complexe est à l’œuvre. Et il a beaucoup en commun avec les fusées.

Vous célébrez la nouvelle année ou un anniversaire. La fête bat son plein. Il est maintenant minuit. En cet instant, vous débouchez une bouteille de champagne, déclenchant l’incontournable « pop » avant de verser le contenu dans les coupes. Pourquoi ce bruit et pourquoi le bouchon peut-il se libérer si puissamment ? Derrière le « pop » se cache une physique gazeuse « d’une étonnante complexité », constatent des travaux de recherche hors normes publiés en juin 2022.

Les auteurs se penchent sur le champagne depuis plusieurs années. Une première étude était sortie en 2019, mais ils rentrent dorénavant un peu plus dans les détails du « pop » avec des modélisations informatiques du processus qui est à l’œuvre. Tout se passe très vite : dans les quelques millisecondes qui suivent l’ouverture de la bouteille, il se produit tout bonnement une onde de choc supersonique.

Votre bouteille de champagne est une fusée (ou presque)

Au sein de la bouteille, la pression est élevée en raison du gaz carbonique dissous. Mais heureusement, au repos, la fermeture hermétique : c’est dû à la friction statique entre le bouchon en liège et la bouteille en verre, générant un équilibre parfait. Sauf que, dès l’instant où vous commencez à retirer le bouchon, la friction devient cinétique (il y a du mouvement), l’équilibre est rompu, la pression se libère et devient dominante. Le mélange gazeux libère alors une succession d’ondes de choc. Le gaz s’échappe à une vitesse supersonique, sous forme radiale (ces ondes de choc sont « rondes » comme la bouteille).

Sur cette macrophotographie, on voit l'onde de choc, qui finit par disparaître après quelques millisecondes à mesure que le bouchon est libéré. // Source : Physics of Fluids, 2022 (GÉRARD LIGER-BELAIR HTTPS://ORCID.ORG/0000-0002-4474-7283 DANIEL CORDIERAND ROBERT GEORGES) — Sur ces macrophotographies, on voit l’onde de choc. Elle disparaît après quelques millisecondes à mesure que le bouchon est libéré. // Source : Physics of Fluids, 2022 (Gérard Liger-Belair, Daniel Cordierand, Robert Georges)

Le champagne et le disque de Mach

Résultat, lorsque le bouchon s’envole (parfois à plusieurs kilomètres heure), il se forme alors un « disque de Mach », un terme qui n’a habituellement rien à voir avec le champagne. C’est le nom donné à la formation d’ondes stationnaires que l’on trouve dans le panache des systèmes de propulsion aérospatiale — fusées, avions. On observe le même motif d’ondes « en couronnes » s’échappant d’une bouteille de champagne, à plus petite échelle. Cela n’intervient que lors d’un délai en millisecondes, puisque dès la pression libérée, il n’y a plus de choc supersonique, un nouvel équilibre se crée.

Voilà qui va bouleverser vos apéros. Mais ces travaux de recherches ne sont pas seulement là pour livrer une précieuse anecdote : d’un point de vue scientifique, la bouteille de champagne est un modèle miniature de propulsion. « Nous voulions mieux caractériser le phénomène inattendu d’un écoulement supersonique qui se produit lors du débouchage d’une bouteille de champagne. Nous espérons que nos simulations offriront des pistes intéressantes aux chercheurs, qui pourraient considérer la bouteille de champagne comme un mini-laboratoire », détaille Robert Georges, de l’université Rennes 1.

Les recherches sur la physique des bouteilles de champagne ne sont donc pas terminées : cette équipe de recherche va maintenant se pencher sur l’impact de différents paramètres sur le choc supersonique, comme la température de stockage ou la taille de la bouteille.