Докато чашата ми с вино плаче

Тези, които от време на време съзерцават дъното на чаша за вино, със сигурност познават една от най-големите мистерии на Вселената.

Това е наблюдение от столетия, че виното понякога може да се придвижи нагоре по повърхността на чашата и след това да образува „сълзи“, които капят надолу.

Как става това?

Чашата за вино

Нека започнем със самата чаша.

Нищо не ви пречи да пиете вино от всякакъв вид съдове (включително направо от бутилката, ако ви харесва), формата на чашата за вино има пряко въздействие върху вкуса, който възприемаме. Традиционната чаша за вино се състои от четири основни компонента: "краче" или плоската основа на чашата, "стъбло" или вретеновидната част, която държите и която помага да се поддържа правилната температура на виното, "купа" или същинският издут съд, в който се съхранява виното, и накрая "ръбът" на чашата.

Формата на чашата определя начина, по който изпаренията на етанола - алкохолната част на виното - достигат до носа и устата. Силата и интензивността на аромата на виното зависят от големината на чашата спрямо ръба - колкото по-голяма е чашата, толкова повече аромати се отделят, а колкото по-стеснен е ръбът, толкова по-лесно тези аромати достигат до носа ви. Повечето чаши за вино са оформени така, че ароматите са съсредоточени в чашата, а етанолът не достига до носа.

Формата на чашата оказва влияние дори върху вкуса на виното, след като отпиете от него. Ще се наложи да наведете главата си напред (вероятно когато дегустирате от чаша с широка периферия) или назад (докато се опитвате да прекарате носа си покрай ръба на тясна чаша тип флейта). Наклонът на главата ви определя скоростта и интензивността, с която виното навлиза в устата ви, което от своя страна определя колко вкусови рецептора ще бъдат засегнати едновременно. Това обуславя силното "усещане в устата" на едно пълноценно Мерло например.

Сълзите на виното

Преди да вдигне чаша вино към устните си, всеки ценител на вино завърта чашата и наблюдава капките или „сълзите“, които се образуват на пръстен близо до върха на чашата. Освен че изглежда много изтънчено, този жест демонстрира динамиката на течностите във виното

Тези сълзи са следствие от това, че виното е нехомогенна смес от вода и алкохол, заедно с някои захари и киселини. При завъртане на чашата по-голямата част от виното се връща обратно надолу, но по стените на чашата остава тънък филм - капилярно действие, което го кара да се изкачва по стените. Това, което се случва, е, че алкохолът и водата във филма започват да се изпаряват по-бързо, отколкото в по-голямата част от напитката - но алкохолът във филма се изпарява по-бързо от водата поради по-високото си налягане на парите. Бързото изпаряване на алкохола и последващото намаляване на концентрацията му означава, че повърхностното напрежение на филма се увеличава, изтегляйки течността от дъното на чашата, където има по-ниско повърхностно напрежение, тъй като все още съдържа повече алкохол.

Това явление, дължащо се на градиента на повърхностното напрежение, се нарича "ефект на Марангони" в чест на италианския физик Карло Марангони, който първоначално изследва преноса на маса по границата между две фази, дължащ се на градиента на повърхностното напрежение. Но първият човек, който точно описва основния механизъм на явлението "сълзи от вино", е физикът Джеймс Томсън, по-големият брат на лорд Келвин, през 1855 г.

Ефектът на Марангони обяснява движението на виното нагоре по стената на чашата, но дълги години не е било ясно защо потокът образува отделни капки.

Но дали гравитацията може да даде отговора?

Ударни вълни

Днес загадката е решена - поне отчасти - благодарение на работата на Йонатан Дъклар (Yonatan Dukler) и колегите му от Калифорнийския университет в Лос Анджелис. Те извършват теоретичен анализ на некласическата динамика на чашите за вино и винените сълзи, като вземат предвид гравитационните ефекти, които преди това бяха пренебрегвани, и казват, че са намерили отговор.

В изследването си, публикувано в Physical Review Fluids през 2020 г., екипът представя своя модел, който установява, че дебелината на филма играе ключова роля за начина, по който се образуват сълзите. Всъщност, ако филмът е равномерен и достатъчно дебел, той се стича обратно надолу на плътен слой. Вместо това техните експерименти и изчисления показват, че течността се движи нагоре в изпъкнала вълна, която оставя след себе си тънък филм. Те описват това като нестабилна "обратна ударна вълна с недостатъчно сгъстяване", която се разкъсва и образува сълзи.

^{Кредит:  Dukler and co}

Този тип поток на Марангони не засяга само виното, но оказва влияние върху всичко - от растежа на кристалите в полупроводниците до излъчването на топлина във вашия лаптоп. 

Има обаче и друга сила - гравитацията, която дърпа течността обратно надолу. Когато това се случи, виното се оформя в известните сълзи, които се търкалят по вътрешността на чашата.

Изключителната загадка е защо виното образува сълзи, течащи надолу, а не някакъв друг вид поток. Това е проблемът, с който Дъклар и колегите му са се справили, използвайки цялостен теоретичен модел и много експериментална работа. Те са наблюдавали как сълзите се образуват по начин, който никога преди не е бил описван.

Тяхната работа се основава на теорията на ударните вълни. Ударната вълна е смущение, което образува рязка граница в свойствата на течността. Ударните вълни обикновено се задвижват от смущения, които се движат по-бързо от звука в течността, като например свръхзвукова струя. Вълната продължава толкова дълго, колкото смущението остава свръхзвуково.

Но ударни вълни могат да се образуват, когато смущенията не са свръхзвукови - например, когато изпарението причинява поток в течността. Тези вълни са известни като ударни вълни под натиск. Именно върху тях се фокусират Дъклар и колегите му.

Всъщност през последното десетилетие Европейската космическа агенция (ЕКА), НАСА и Японската агенция за аерокосмически изследвания проведоха експерименти за изучаване на ефекта на Марангони на Международната космическа станция в условията на микрогравитация, като нов експеримент на ЕКА трябва да започне през следващата година.

Въпреки цялата физика, сълзите на виното не показват колко добро е виното, а само неговото алкохолно съдържание. Буквално, повече алкохол означава повече сълзи.

Това е интересна работа, която много читатели ще искат да отпразнуват с някои свои собствени „изследвания“.

Справка: Theory for undercompressive shocks in tears of wine
Yonatan Dukler, Hangjie Ji, Claudia Falcon, and Andrea L. Bertozzi
Phys. Rev. Fluids 5, 034002 – Published 17 March 2020 DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevFluids.5.034002, на свободен достъп: arxiv.org/abs/1909.09898 

Източник: 

As my wine glass gently weeps, Physics World 

Ever wondered why your wine is weeping? Blame shock waves. MIT Review