Kroužení vínem ve sklenici obvykle zahajuje degustaci tohoto nápoje. Velmi často se na vnitřní stěně po uklidnění hladiny objeví kruh a z něho začnou dolů kanout kapky jako slzy. Někdy se jim říká také „nožičky“ nebo „kostelní okénka“. Dávno popsaný jev však překvapil v detailech fyzikálních souvislostí i současnou vědu.
Tenká vrstva vína nad hladinou smáčí vnitřní stěnu sklenice. Milovníci tohoto moku nám snad prominou, když jej zredukujeme na pouhou směs vody a ethylalkoholu, ale z principiálního hlediska nejde o nic jiného. Po smočení vnitřní stěny sklenice dochází díky vypařování ethylalkoholu k transportu směsi po stěně vzhůru. Jde o tzv. Marangoniho jev. Z horního okraje vrstvy kanou zpět na hladinu kapky jako slzy.
Popis „vinných slz“ přitom není nic nového. Asi první zmínku najdeme v Šalamounově knize přísloví, kde se mluví o silném červeném víně vytvářejícím v poháru perly. V roce 1855 pak napsal James Thomson (1822 – 1892), starší bratr lorda Kelvina, článek o procesech probíhajících při konvekci s názvem On Certain Curious Motions Observable at the Surfaces on Wine and Other Alcoholic Liquors. V článku se přibližně říká, že z tenkého filmu směsi alkoholu a vody, který stoupá vzhůru po vnitřní stěně sklenice, se vypařuje více alkoholu než na hladině vína samotného. Tam se alkohol doplňuje z vnitřních vrstev kapaliny, takže povrchové napětí vína na hladině je nižší než vína ve filmu na stěně sklenice.
Právě díky rozdílu ve velikosti povrchového napětí stoupá kapalina po stěně, až se nakonec tvaruje do kapek nebo perel. Tyto slzy při určité velikosti putují po tenké vrstvičce zpět do vína.
Fyzikálně správný text však nezískal v tehdejším odborném světě potřebnou pozornost, a tak poctu pojmenování jevu pohybu rozhraní na volných površích získal italský fyzik Carlo Giuseppe Matteo Marangoni (1840 – 1925), který jej popsal až o deset let později.
Připomeňme pro úplnost, že při 20 °C je povrchové napětí vody rovno 72 x 10-3 Nm-1 a ethylalkoholu 22 x 10-3 Nm-1. Největší pokles hodnoty nastává mezi vodou a 50% roztokem ethylalkoholu ve vodě. Při vyšších koncentracích je už změna povrchového napětí menší. Tento fakt znají dobře studenti Matfyzu z fyzikálního praktika, kde určují koncentrační závislost povrchového napětí roztoku lihu ve vodě. Málokdo si však asi uvědomí, že zkoumá příčinu vinných slz. Dalším faktorem je rozdíl v bodu varu ethylalkoholu (78 °C) a vody (100 °C) za normálního atmosférického tlaku (101,325 kPa).
Víno tedy z tohoto hlediska představuje směs dvou kapalin s různými body varu a různými hodnotami povrchového napětí. Minimální koncentrace pro dobré pozorování je 12 % ethylalkoholu ve vodě. Jev bude zvlášť dobře zřetelný v koncentrovanějších alkoholických nápojích jako koňak či whisky.
Z toho je zároveň zřejmé, že nesouvisí s viskozitou směsi, kterou může ovlivňovat přidaný glycerol nebo ethylenglykol. Těmito vyššími alkoholy se některá levnější vína pančují. Vinné slzy tak z fyzikálních důvodů špatné víno prostě neodhalí.
Vinaři říkají, že vzdálenost mezi jednotlivými „nožičkami“, které tvoří svislou část „kostelních okének“, určuje obsah alkoholu ve víně. Čím je menší, takže stopy po slzách vytvářejí obrazce podobné špičatým gotickým okénkům kostelů, tím větší je obsah alkoholu. U nápojů s menším obsahem alkoholu se prý tvoří spíše kulatá okénka podobná barokním.
Na koncentrační závislosti povrchového napětí je založen jednoduchý vínoměr. Trocha vína se naleje do nádobky zakončené kapilárou a postupně odteče. Díky povrchovému napětí zůstane určitá část v kapiláře, která je kalibrovaná podle koncentrace alkoholu ve víně.
Marangoniho jev sám nevysvětluje, jak víno, které stoupá vzhůru proti gravitaci, zase stéká dolů ve formě kapek. K matematickému popisu je třeba použít Navier-Stokesovy rovnice, jejichž řešení není triviální.
V současnosti začali problém vinných slz znovu zkoumat vědci z University of California v Los Angeles. Vzali v úvahu gravitační působení a ve svém detailním hydrodynamickém modelu ukázali, že víno teče vzhůru po stěně sklenice v rázových vlnách. Výsledkem je tlustý horní okraj vinného filmu (viz obrázek). Tyto vlny jsou však nestabilní, a proto se vytvoří kapky, které gravitačně stékají po tenké vrstvě vína zpět do sklenice.
Autoři uvádějí, že své teoretické výsledky mohli podpořit mnoha
experimenty. Reprodukovaně například prokázali, že tvorba slz způsobená
nestabilními vlnami je mohutnější ve sklenicích se svislými stěnami a že
opravdu roste s obsahem alkoholu ve směsi.
Publikace je krásným současným příkladem toho, že každodenní jevy, o kterých věříme, že jsou dávno pochopené, mohou ještě překvapit ohromujícími detaily. A konečně i toho, že některé fyzikální experimenty lze opakovat pořád dokola, aniž by se omrzely…
Zdroje:
Přísloví Šalamounova 23, 31.
J. Thomson: The London, Edinburgh, Dublin Philosophical Magazine Science 10
(1855) 330-333.
S. Lee (ed.): Dictionary of National Biography. Díl 56. Smith, Elder & Co. Londýn, 1898. s. 257.
J. Straub, A. Weinzierl, M. Zell: Wärme- und Stoffübertragung 25 (1990) 281-288.
C. Marangoni: Sull´ espansione delle goccie di un liquido galleggaiante sulla supeficie di altro liquido. Pavia, tip. Fusi, Agosto 1865.
Y. Dukler, H. Ji, C. Falcon, A.L. Bertozzi: Theory for undercompressive shocks in tears of wine. Phys. Rev. Fluids 5 (2020) 034002. doi.org/10.1103/PhysRevFluids.5.034002.
Welt der Physik: Physik im Rotweinglas. [online]. Copyright © Wissenschaft aktuell [cit. 18.05.2020]. Dostupné z: https://www.weltderphysik.de/gebiet/leben/news/2020/physik-im-rotweinglas/
Mohlo by vás také zajímat:
Magnetismus a demokratická volba
Cena peněz
Někdo to rád
studené
Materiály
testované vesmírem
Třesky blesky
Fyzika ve
sklenici