Menu Sluiten

Tranen van de wijn door schokgolven

De benen, kerkramen of tranen van de wijn. Menig wijndrinker en wetenschapper heeft zijn wijn door het glas gewalst en vol verwondering gekeken naar dit fenomeen. Waardoor worden de tranen veroorzaakt? En wat zeggen ze over de wijn? Lang heeft de wetenschap niet kunnen verklaren hoe de tranen precies ontstaan, maar oppervlaktespanning, temperatuur, rand instabiliteit en schokgolven (!) lijken het lang verwachtte complete antwoord te geven.

De verdamping van alcohol

Wijn is voornamelijk een mengsel van water en alcohol. In een wijnglas kruipt de wijn door de capillaire werking van het glas aan de rand iets omhoog. Dit bollende wijnoppervlak wordt de meniscus genoemd. In de meniscus verdampt de alcohol sneller dan in de rest van het glas. Dit komt doordat de meniscus een grotere oppervlak heeft in verhouding tot het volume er onder. Door het verdampen van de alcohol ontstaat er in de meniscus wijn met minder alcohol en relatief veel water. Water heeft een hogere oppervlaktespanning dan alcohol en ‘trekt’ daardoor harder aan de omringende vloeistof. De gradiënt die ontstaat van de alcoholrijke wijn in het glas naar alcoholarmere wijn in de meniscus zorgt voor een verschil in de oppervlaktespanning. Deze onbalans zorgt er voor dat er nog meer wijn vanuit het glas omhoog gezogen wordt. Er ontstaat hierdoor een filmlaag van wijn op de glaswand.

In 1865 beschreef de Italiaanse natuurkundige Carlo Marangoni dit effect in zijn thesis, en een paar jaar later gaf Josiah Willard Gibbs in meerdere artikelen getiteld ‘On the Equilibrium of Heterogeneous Substances’ een theoretische thermodynamische beschrijving. Het omhoog stromen van de wijn tegen de glaswand staat sindsdien bekend als het Marangoni-Gibbs effect.

De vorming van de filmlaag op de wand van het wijnglas door het Marangoni effect.

De vorming van de filmlaag op de wand van het wijnglas door het Marangoni-Gibbs effect. De verdamping van alcohol zorgt voor een gradiënt in de oppervlaktespanning (λ), en voor een gradiënt in de temperatuur (T), van de filmlaag op de wand van het glas. De tranen van de wijn vormen zich onder invloed van de zwaartekracht op de rand van de filmlaag.

Temperatuurverschil

Recent onderzoek laat zien dat het Marangoni-Gibbs effect niet enkel toegeschreven kan worden aan het verdampen van de alcohol en het verschil in oppervlaktespanning dat ontstaat. Venerus et al. hebben in 2015 laten zien dat het verdampen van de alcohol er ook voor zorgt dat de wijn in de filmlaag op het glas afkoelt. Het belang van dit temperatuurverschil voor het Marangoni effect is altijd over het hoofd gezien.

De temperatuurgradiënt in de filmlaag zorgt er voor dat de wijn gaat ‘stromen’. Net als de warme golfstroom die warm zeewater uit de golf van Mexico naar het Noordelijke deel van de Atlantische oceaan brengt. Zo zorgt de temperatuurgradiënt in de filmlaag er voor dat er wijn langs het wijnglas omhoog stroomt. Het temperatuurverschil draagt op deze manier bij aan het Marangoni-Gibbs effect. De stroomsnelheid van de wijn in de filmlaag is dus afhankelijk van zowel de gradiënt in oppervlaktespanning als de temperatuurgradiënt, en beide worden veroorzaakt door het verdampen van alcohol1.

Infraroodfoto van de tranen van wijn

Infraroodfoto van de tranen van wijn. De kleurenschaal geeft de temperatuur van de filmlaag van wijn op het glas weer. De witte pijl geeft de stroomrichting van de wijn weer veroorzaakt door het Marangoni-Gibbs effect.
Aangepast van Venerus, 2015 via CC BY 4.0

Het Marangoni-Gibbs effect is hiermee verder verduidelijkt, en verklaart hoe het komt dat de wijn langs uit het glas omhoog kruipt. Maar waardoor druipt de wijn weer naar beneden? De zwaartekracht? Ja, maar dat is een wel erg simplistische weergave van de werkelijkheid. Hoe komt het dat wijn specifiek de druppels vormt en als tranen weer terug het glas in stroomt?

Plateau-Rayleigh-Taylor instabiliteit

De rand bovenop de filmlaag valt onder invloed van de zwaartekracht uiteen in de tranen. In een onderzoek uit 2018 laten Nikolov en zijn collega’s zien dat de manier waarop de rand van de filmlaag uiteenvalt in druppels overeenkomt met de theorie van de Plateau-Rayleigh-Taylor instabiliteit2. Dit is een wiskundige beschrijving van de instabiliteit die ontstaat wanneer een vloeistof met een lichte dichtheid duwt tegen een vloeistof met een hogere dichtheid. In het geval van de filmlaag in het wijnglas ontstaat er een instabiliteit omdat de zwaartekracht harder trekt aan de zwaardere vloeistof dan aan de lichte vloeistof. De zware vloeistof wil naar beneden, en de lichte vloeistof wil omhoog. De stabiliteit van de rand is dus een balans tussen de zwaartekracht en de opwaartse druk van de lichte vloeistof.

Een simplistische weergave van de Plateau-Rayleigh-Taylor instabiliteit op basis waarvan de tranen van de wijn ontstaan volgens Nikolov et al..

Een simplistische weergave van de Plateau-Rayleigh-Taylor instabiliteit op basis waarvan de tranen van de wijn ontstaan volgens Nikolov et al.. De rand van de filmlaag (donkerrood) heeft een hogere dichtheid dan de filmlaag (lichtrood) die onder invloed van het Marangoni effect gevormd wordt en omhoog stroomt.

De vraag die nu nog rest is: Hoe komt het dat de filmlaag op het glas twee verschillende dichtheden krijgt, en zodoende de rand kan vormen waaruit de tranen ontstaan?

Schokgolven

De filmlaag ontstaat door het Marangoni effect, en de tranen ontstaan door de instabiliteit van de rand van de filmlaag. Maar hoe is het überhaupt mogelijk dat deze rand bovenaan de filmlaag ontstaat? Volgens Dukler et al. van de Universiteit van Californië zorgt een schokgolf door de filmlaag voor de vorming van de rand en de daaropvolgende tranen3. Een ‘reverse undercompressive shockwave’ wel te verstaan. Dukler en zijn collega’s hebben een theoretisch model ontwikkeld dat laat zien hoe deze schokgolf (in theorie) ontstaat door de verdamping van alcohol in de filmlaag en zich vanaf de meniscus naar de rand van de filmlaag verplaatst. Een kenmerk van deze a-typische schokgolf is dat de dichtheid van de vloeistof achter de golf lager is dan voor de golf. Er ontstaat daarmee dus een situatie dat de rand van de filmlaag een hogere dichtheid heeft dan de filmlaag er onder. En laat dit nu net DE uitgangspositie zijn voor de Plateau-Rayleigh-Taylor instabiliteit zoals hierboven beschreven.

“After removing the cover, [van een glas met port] evaporation quickly increases, inciting a “reverse” front to climb out of the meniscus, followed by the formation of wine tears falling back into the bulk. The forming front is characterized by a depression, i.e. the film ahead of the front is thicker than the film behind it. It is in a sense, a “dewetting” front that leaves a thinner layer behind it.”

[Dukler, 2019]

De onderzoekers hebben hun theorie getest door de vorming van de tranen in een martiniglas met port te bekijken. De schokgolf was waarneembaar (zie de figuur hieronder) en ging vooraf aan het ontstaan van de tranen van de wijn. Voor het model, maar ook voor het experiment hebben de onderzoekers wat simplificaties toegepast. Zo is bijvoorbeeld een martiniglas gebruikt omdat dit glas een constante hoek heeft, en is in het model uitgegaan van een constante gradiënt in de oppervlaktespanning (ontstaan door de verdamping van het alcohol). Het effect in verschillende wijnglazen met een bol oppervlak (en dan met name de theorie er achter) moet nog verder onderzocht worden.

De rand van de filmlaag en daarmee de tranen van de wijn ontstaan door een schokgolf.

De rand van de filmlaag en daarmee de tranen van de wijn ontstaan door een schokgolf. De bovenste vier fotos laten van links naar rechts zien hoe een golffront ontstaat vanuit de meniscus dat zich na 10 seconden stabiliseert in de tranen van de wijn. In de foto linksonder is een close-up te zien van de schokgolven (onder de twee zwarte pijlen in het midden) die naar de rand (“ridge”) bovenaan de filmlaag lopen. De term “rarefaction” duidt de zone aan waarin door de schokgolf de dichtheid van de wijn lager is dan in de rand. De figuur rechtsonder geeft het martiniglas weer zoals gebruikt door Dukler et al. om hun theorie te testen.
Aangepast van Dukler, 2019 via non-exclusive distribution license

Wat zeggen de tranen?

Zoals al uit de theorie hierboven blijkt is met name de snelheid waarmee de alcohol verdampt van belang voor de vorming van de tranen. Deze verdamping hangt af van de hoeveelheid alcohol in de wijn, maar ook van bijvoorbeeld de kamertemperatuur, de wijntemperatuur, de luchtvochtigheid en de luchtdruk. Over het algemeen geldt dat hoe meer alcohol de wijn bevat, hoe meer tranen er waarneembaar zijn. Het is echter moeilijk om al deze condities constant te houden. In een bergdorp, of op een regenachtige dag zal de vorming van de tranen anders verlopen dan op een mooie zonnige dag aan het strand.

De snelheid waarmee de tranen terug het glas in stromen zegt iets over de viscositeit van de wijn. Hoe langzamer de tranen naar beneden druipen, hoe stroperiger de wijn is. Deze stroperigheid is onder andere afhankelijk van de hoeveelheid alcohol, suiker en glycerol in de wijn. Alcohol, maar met name glycerol en suiker verhogen de viscositeit.

Lees nu ook: Chardonnay ontstond uit inteelt!

Al deze verschillende variabelen maken het erg moeilijk om puur op basis van de tranen van de wijn iets te concluderen over de inhoud van het wijnglas. Mits je niet enkel het alcoholgehalte als criterium hebt, dan zeggen de tranen van de wijn helemaal niets over de kwaliteit van de wijn.

Wijnglazen

De tranen zijn het bijkomstige effect van de verdamping van alcohol uit de wijn. Met de verdamping van de alcohol verdampen echter ook allerlei aroma’s waar de wijn zijn geur aan ontleent. Kennis over het ontstaan van de tranen, en dus de alcoholverdamping in het wijnglas kan bijdragen aan de ontwikkeling van wijnglazen. Wijnglazen die de filmlaag op de wand van het glas optimaal ondersteunen, door hun vorm, of misschien zelfs een coating, dragen bij aan het vrijkomen van aromacomponenten en zodoende het bouquet van de wijn. De kennis opgedaan door de tranen van de wijn kunnen dus wel eens tot vrolijke gezichten gaan leiden.

Referenties
1. Venerus DC, Nieto Simavilla D. Tears of wine: new insights on an old phenomenon. Sci Rep. 2015 Nov 9;5:16162. https://doi.org/10.1038/srep16162
2. Nikolov A, Wasan D, Lee J. Tears of wine: The dance of the droplets. Adv Colloid Interface Sci. 2018 Jun;256:94-100. https://doi.org/10.1016/j.cis.2018.05.001
3. Dukler Y, Hangjie J, Falcon C, Bertozzi AL. A theory for undercompressive shocks in tears of wine. arXiv 2019 Sept. https://arxiv.org/abs/1909.09898

Vond je dit artikel leuk om te lezen, deel het dan op social media:

Geef een antwoord

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Vereiste velden zijn gemarkeerd met *

error: Content is protected !!