2.88 «Слезы» вина и другие игры жидких поверхностей

Почему в бокале крепкого алкогольного напитка, вина или не слишком крепкой водки над жидкой поверхностью образуются капли (их называют «слезы» вина), которые растут и стекают вниз по стенке бокала (рис. 2.27)?

Рис. 2.27 / Задача 2.88. «Слезы» в бокале над поверхностью крепкого вина.

ОТВЕТ • Обычно поверхность воды слегка поднимается по стенкам стакана благодаря тому, что, во-первых, молекулы стекла притягивают молекулы воды (это называется адгезией, или сцеплением поверхностей разнородных тел) и, во-вторых, молекулы воды притягиваются друг к другу (это называется когезией, характеризующей связность воды). Как результат адгезии и когезии уровень воды вблизи стенки повышается и поверхность воды возле стенки искривляется.

Молекулы на поверхности жидкости притягиваются друг к другу и сближаются, благодаря чему поверхность жидкости находится в напряженном состоянии. Следовательно, поверхностное натяжение — характеристика поверхности жидкости. Если в бокал налито вино, жидкая пленка поднимается по его стенке гораздо выше, что связано с разным поверхностным натяжением жидкости в объеме и в поднявшейся пленке. У воды поверхностное натяжение достаточно велико, а у смеси спирта с водой оно меньше. Когда такая смесь начинает подниматься по стенке бокала, спирт быстро испаряется и на стенке остается практически водяная пленка. Поскольку поверхностное натяжение воды больше, чем у смеси спирта с водой, жидкость из объема бокала интенсивно затягивается в слой на его стенке. Слой становится толще, его верхний край подтягивается выше благодаря адгезии между жидкостью и стеклом, так что пленка поднимается выше, чем в стакане с водой.

Высота, на которую поднимается пленка, ограничена силой тяжести. Когда алкоголь испаряется из пленки, поверхностное натяжение стремится собрать оставшуюся воду в капли. Сначала из-за адгезии эти капли, «слезы» вина, продолжают подниматься, но в конце концов они становятся слишком большими, неожиданно отрываются и сбегают вниз по стенкам бокала. «Слезы» вина образуются, только если вино умеренно крепкое: смесь спирта и воды должна быть подобрана так, чтобы обеспечить нужное соотношение поверхностных натяжений поднимающейся жидкой пленки и жидкости в объеме.

Движение жидкости, обусловленное отличием поверхностного натяжения в одной области от поверхностного натяжения в другой, называется эффектом Марангони в честь одного из его исследователей. Этот эффект объясняет, почему иногда капли широко растекаются по твердой поверхности. Наблюдая за такой каплей, мы не видим, что перед ней имеется тонкий слой жидкости, в котором испарение идет быстрее, чем в остальной капле. Так же, как и в случае «слез» вина, если испарение превышает поверхностное натяжение оставшейся жидкости в этом тонком слое, в него натекает новая жидкость из капли, вызывая растекание капли по поверхности.