O que são as bolhas de cerveja? Experimentos caseiros para explicar seu desenvolvimento

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Por Jorge Díaz

Faz quase um ano que parei de me dedicar à física de forma oficial; no entanto, algo que é impossível de deixar é enxergar o mundo pelos olhos da física.

Assim como patos nadando me fazem pensar em elétrons mais rápidos que a luz na água, algo que também me arranca um sorriso toda vez que vejo é o fluxo contínuo de bolhas em uma cerveja.

O que são as bolhas de cerveja?

As bolhas são pequenos pacotes de dióxido de carbono (CO₂) que buscam escapar do líquido, impulsionados para cima pela força de empuxo descrita por Arquimedes que, segundo a lenda, o fez gritar “Eureka!”.

O tamanho das bolhas muda enquanto se propagam; embora não seja tão fácil de notar, elas crescem à medida que se aproximam da superfície.

Se a curiosidade for maior que a sede, basta observar com cuidado para notar que as bolhas se originam perto da parede do copo. Isso acontece porque micro-bolhas de CO₂ se agrupam em chamados “pontos de nucleação” — irregularidades microscópicas no vidro onde o gás se acumula até ser liberado na forma de uma bolha.

As bolhas de CO₂ se formam em pequenas imperfeições do vidro da mesma forma que gotas de chuva se formam ao redor de partículas de poeira, ou como os rastros em uma câmara de bolhas formados pela passagem de uma partícula carregada.

De fato, seu inventor testou a ideia de sua criação expondo cerveja a materiais radioativos.

Algo bastante óbvio é que a velocidade das bolhas aumenta enquanto sobem — ou seja, elas aceleram. Antes de continuar, gostaria de esclarecer a definição desses conceitos.

Velocidade das bolhas

Refere-se à variação de posição Δx com o passar do tempo Δt. Se um corpo não se move (mantém sua posição no tempo), dizemos que tem velocidade zero; ao contrário, se sua posição muda, dizemos que possui certa velocidade.

Se chamarmos Δx à variação de posição e Δt ao intervalo de tempo, então a velocidade é definida matematicamente como:

[math]v = rac{\Delta x}{\Delta t}[/math]

Aceleração das bolhas

Refere-se à variação de velocidade Δv com o passar do tempo Δt. Se um corpo se move sempre com a mesma velocidade, dizemos que tem aceleração zero; ao contrário, se sua velocidade muda, dizemos que possui certa aceleração.

Se chamarmos Δv à variação de velocidade e Δt ao intervalo de tempo, então a aceleração é definida matematicamente como:

[math]a = rac{\Delta v}{\Delta t}[/math]

É aqui que a beleza da física, da álgebra e da geometria se unem para nos dar uma descrição completa do movimento acelerado.

Por simplicidade, vamos supor que uma bolha possui aceleração constante — ou seja, que não muda com o tempo (isso não é totalmente verdadeiro, mas é uma boa aproximação).

Posição das bolhas

Ao contrário da aceleração, a posição de cada bolha muda (elas se movem para cima) e sua velocidade muda a uma taxa constante (movem-se cada vez mais rápido).

Em um gráfico, isso pareceria com a imagem da esquerda, onde a velocidade (eixo vertical) aumenta de um valor inicial (zero) até um valor final v após certo tempo t.

A figura da direita mostra o mesmo gráfico com mais detalhes, onde foi utilizado que a medição começa em t=0; portanto, Δt = t.

Em seguida, um pouco de álgebra básica permite reescrever a velocidade final usando a definição de aceleração.

A física nos diz que em um gráfico velocidade vs. tempo, a distância percorrida é dada pela área sob a curva; e a geometria permite calcular a área de um triângulo de base = t e altura = at.

Com isso, obtemos que o movimento de uma bolha (sua altura medida a partir do centro de nucleação) é:

[math]x = rac{1}{2} a t^2[/math]

É aqui que podemos colocar a física à prova: basta fotografar um desses fluxos de bolhas e medir seu deslocamento.

Deslocamento das bolhas

Certo tempo atrás não consegui resistir ao observar como as bolhas subiam em um copo de cerveja.

Alguns dias depois houve uma celebração na empresa onde trabalho e, antes de me juntar aos meus colegas para aproveitar uma taça de Prosecco, me dediquei a capturar as bolhas. Mais tarde repeti a experiência com um copo de água com gás.

Em seguida, usei um simples editor de imagens para registrar a localização de cada bolha. Na falta de uma unidade de medida, simplesmente usei pixels.

O tempo também não estava disponível; no entanto, cada bolha se origina quando a nucleação atinge um limite no qual a força de empuxo a libera, por isso é natural considerar que o mesmo intervalo de tempo transcorre entre uma bolha e a seguinte.

Assim, grafiquei o deslocamento de cada bolha em pixels no eixo vertical e atribuí números consecutivos a cada bolha para o eixo horizontal.

Os dados são mostrados na figura pelos pontos azuis e a linha vermelha indica o ajuste quadrático dos dados em cada caso.

Em especial, as bolhas na cerveja mostram que uma função quadrática (ou seja, a posição varia com o quadrado do tempo) se ajusta muito bem aos dados.

Conclusões

Obviamente, não sou o primeiro a transformar um prazer refrescante em laboratório de física. No entanto, é necessário esclarecer que, por simplicidade, considerei apenas a força de empuxo atuando em cada bolha.

Há outros fatores que afetam seu movimento — por exemplo, a resistência ao movimento devido ao seu tamanho, que aumenta continuamente.

Esses detalhes, especialmente o crescimento de cada bolha, requerem conceitos que escapam à intenção deste post.

Para quem tiver interesse, o artigo “Through a Beer Glass Darkly“, Physics Today 44 (1991), mostra os detalhes; requer apenas conhecimentos básicos de cálculo e teoria dos gases.

Há também variados estudos sobre o movimento descendente de bolhas em cerveja Guinness, como “Why do bubbles in Guinness sink?” Am. J. Phys. 81, 2 (2013).

Perguntas frequentes (FAQ)

1. Por que as bolhas das cervejas nitrogenadas parecem cair em vez de subir?

Ao contrário das cervejas tradicionais, essas cervejas utilizam nitrogênio em vez de apenas CO2. As bolhas de nitrogênio são menores e, devido a um efeito de convecção circular no copo, o líquido do centro sobe rapidamente arrastando bolhas, enquanto o líquido perto das paredes do copo desce, levando consigo as bolhas periféricas e criando a ilusão óptica de que “caem”.

2. Qual é a diferença entre as bolhas da cerveja e as do champanhe ou espumante?

A principal diferença está na concentração de gás e nas proteínas. A cerveja contém proteínas que estabilizam as bolhas, permitindo que formem uma capa de espuma persistente. No champanhe (ou Prosecco), sem essas proteínas, as bolhas estouram rapidamente ao chegar à superfície, liberando compostos aromáticos de forma mais volátil, mas sem criar uma espuma estável.

3. Como a temperatura influencia a velocidade e o tamanho das bolhas?

Segundo a lei de Henry, a solubilidade de um gás diminui à medida que a temperatura aumenta. Em uma cerveja morna, o CO2 é liberado de forma muito mais agressiva e descontrolada, gerando bolhas maiores e uma perda de gás mais rápida. Uma temperatura baixa (entre 4 e 7°C) permite que o gás se libere gradualmente, mantendo a efervescência por mais tempo.

4. Por que o copo de vidro é fundamental para a formação de bolhas?

O processo se chama nucleação. As bolhas precisam de um ponto de apoio para se formar; se o copo fosse perfeitamente liso em nível microscópico, a cerveja praticamente não teria bolhas. Muitos fabricantes gravam a laser pequenos pontos no fundo do copo (pontos de nucleação) para garantir um fluxo constante e estético de bolhas até a superfície.

5. É verdade que poeira ou sujeira no copo afetam a efervescência?

Sim. Partículas de poeira ou resíduos de detergente atuam como centros de nucleação artificiais. Se você vê bolhas brotando desordenadamente das paredes do copo em vez de seguir um fluxo vertical limpo, é provável que o copo tenha impurezas. Um copo “cervejeiramente limpo” garante que a nucleação ocorra principalmente nos pontos projetados para isso.

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