Nước mắt rượu chảy trên thành ly: hiệu ứng Marangoni là gì

"Nước mắt rượu" là những giọt rượu tự bò ngược lên thành ly rồi chảy xuống thành dòng, xảy ra vì rượu là hỗn hợp cồn và nước. Ở màng rượu mỏng bám trên thành ly, cồn bay hơi nhanh hơn nước, khiến màng ấy nhiều nước hơn và có sức căng bề mặt lớn hơn phần rượu trong ly. Chỗ căng hơn kéo chất lỏng về phía mình, nên rượu bị kéo dần lên cao, gom thành gờ, nặng quá thì rơi xuống thành giọt. Đây là một ví dụ của hiệu ứng Marangoni.

Thấy nó ở đâu, lúc nào

Rót một ly rượu vang, xoay nhẹ cho rượu tráng lên thành ly rồi đặt xuống. Vài giây sau, phía trên mặt rượu xuất hiện một dải màng mỏng; mép trên của dải này dày lên thành một gờ ngang, rồi từ gờ ấy những giọt rượu tách ra, chảy xuống thành vệt như nước mắt lăn. Hiện tượng tiếp diễn khá lâu, có khi hàng chục phút, chừng nào ly còn mở và cồn còn bay hơi được.

Ở Việt Nam, ta thấy rõ nhất với rượu trắng nấu từ gạo, nếp (rượu đế, rượu nếp) vì độ cồn cao, hay với rượu ngâm chảy chậm trên thành chén sứ, chén thuỷ tinh. Người Pháp gọi những vệt ấy là "chân rượu" (jambes), người Anh gọi là "chân" hoặc "nước mắt" (legs, tears of wine).

Cơ chế: chỗ căng hơn kéo chất lỏng về phía mình

Cồn và nước có sức căng bề mặt khác nhau

Nước sạch có sức căng bề mặt cao, cồn thì thấp hơn hẳn (chừng một phần ba). Hỗn hợp cồn – nước có sức căng nằm ở giữa: càng nhiều cồn thì càng thấp. Đây là chìa khoá. Sức căng bề mặt là lực co của mặt chất lỏng; nếu mặt chất lỏng chỗ này căng hơn chỗ kia, chỗ căng hơn sẽ kéo mặt chất lỏng về phía mình, lôi theo cả lớp chất lỏng bên dưới. Dòng chảy do chênh lệch sức căng bề mặt này gọi là dòng Marangoni.

Màng trên thành ly mất cồn nhanh hơn

Khi ta xoay ly, rượu tráng một màng mỏng lên thành. Màng mỏng thì có nhiều mặt thoáng so với lượng chất lỏng, nên bay hơi nhanh. Mà cồn bay hơi dễ hơn nước. Thế là màng trên thành ly nhanh chóng nghèo cồn, giàu nước hơn phần rượu trong ly. Giàu nước nghĩa là sức căng bề mặt cao hơn.

Rượu bị kéo lên, gom thành gờ, rơi thành giọt

Phía trên căng hơn, phía dưới (sát mặt rượu) kém căng hơn, nên rượu bị kéo ngược lên thành ly, ngược cả trọng lực. Lên tới chỗ màng mỏng nhất, dòng chảy chậm lại, chất lỏng dồn thành một gờ ngang. Gờ càng nặng, trọng lực càng thắng; đến lúc gờ không giữ được hình dạng, nó vỡ ra thành từng giọt và rơi trở lại ly. Trong khi đó, dòng Marangoni vẫn tiếp tục kéo rượu mới lên, nên chu kỳ cứ lặp lại.

Ai giải thích đầu tiên

Năm 1855, kỹ sư James Thomson (sinh ở Belfast), anh trai của nhà vật lý Lord Kelvin, đã mô tả đúng cơ chế: nước mắt rượu là do sức căng bề mặt thay đổi khi cồn bay hơi. Khoảng mười năm sau, nhà vật lý người Ý Carlo Marangoni nghiên cứu kỹ dòng chảy do chênh lệch sức căng bề mặt trong luận án của mình, và tên ông được gắn với hiện tượng. Ngày nay, các nhà cơ học chất lỏng vẫn tiếp tục nghiên cứu chi tiết hình dạng gờ và nhịp rơi của giọt; phần cơ chế chính thì đã rõ từ thế kỷ 19.

Bảng so sánh các điều kiện

Hiện tượng họ hàng

Hiệu ứng Marangoni ở quanh ta

Dòng chảy vì chênh lệch sức căng bề mặt xuất hiện ở nhiều chỗ. Rắc tiêu lên mặt nước rồi chấm xà phòng vào giữa, tiêu bị đẩy tung ra mép: xà phòng làm chỗ đó kém căng, mặt nước xung quanh căng hơn kéo hết về phía mình. Một chiếc thuyền giấy nhỏ có mẩu xà phòng ở đuôi sẽ tự chạy về trước vì cùng lý do. Thí nghiệm "sữa nổ màu" quen thuộc cũng thuộc họ này. Ngay cả vết vòng cà phê đôi khi bị dòng Marangoni làm thay đổi hình dạng.

Trong công nghiệp, người ta dùng dòng Marangoni để làm khô tấm bán dẫn (thổi hơi cồn lên mặt nước để kéo nước ra khỏi bề mặt), và các nhà hàn điện phải tính đến nó vì nó quyết định kim loại lỏng trong mối hàn chảy về phía nào.

Tăm rượu: chuyện khác hẳn

Người nấu rượu ở nông thôn Việt Nam có thói quen lắc chai hoặc rót mạnh để xem "tăm": những bọt nhỏ nổi lên, tan nhanh hay lâu. Đây là bọt khí, không phải nước mắt rượu. Độ bền của bọt có thay đổi theo tỉ lệ cồn trong rượu nên kinh nghiệm này có cơ sở một phần, nhưng nó còn phụ thuộc nhiệt độ, các chất khác trong rượu và cách lắc, nên không thay được cồn kế khi cần biết chính xác độ rượu.

Những hiểu lầm thường gặp

• "Nước mắt nhiều là rượu ngon." Nước mắt rượu nói về độ cồn (và phần nào độ đường làm rượu sánh hơn), không nói gì về chất lượng hay hương vị. Một ly cồn pha nước rẻ tiền cũng chảy nước mắt đẹp.
• "Đó là glycerin trong rượu." Glycerin có làm rượu sánh hơn đôi chút, ảnh hưởng tới tốc độ chảy, nhưng nguyên nhân chính của nước mắt là cồn bay hơi và dòng Marangoni. Đậy ly lại là nước mắt ngừng, trong khi glycerin vẫn còn nguyên trong ly.
• "Rượu bò lên vì mao dẫn." Mao dẫn chỉ kéo chất lỏng lên một độ cao nhất định rồi dừng, không tạo ra dòng chảy liên tục và giọt rơi lặp đi lặp lại. Nước mắt rượu cần nguồn năng lượng liên tục là sự bay hơi.

Tự quan sát / tự thử an toàn

Thí nghiệm này cần rượu, nên người lớn làm, trẻ em chỉ quan sát, và không ai cần uống. Dùng lượng nhỏ, đặt xa bếp lửa và nến vì hơi cồn dễ cháy.

1. Chuẩn bị. Một ly thuỷ tinh trong, sạch, khô; rót vào chừng hai thìa canh rượu trắng hoặc rượu vang. Bên cạnh là một ly nước lọc để so sánh.
2. Tráng ly. Xoay nhẹ cho rượu tráng lên thành khoảng hai, ba đốt ngón tay, đặt xuống, nhìn ngang ở tầm mắt với nền sáng phía sau. Đếm thời gian tới khi giọt đầu tiên rơi.
3. Đậy lại. Úp một chiếc đĩa lên miệng ly, quan sát vài phút. Nước mắt yếu dần. Mở đĩa ra, chúng quay lại.
4. Thổi nhẹ. Dùng quạt tay quạt nhẹ ngang miệng ly: nước mắt dày đặc hơn.
5. Pha loãng. Pha rượu với nước theo vài tỉ lệ khác nhau trong các ly nhỏ, so xem tỉ lệ nào nước mắt rõ nhất. Ghi lại kết quả.
6. Chụp ảnh. Đặt ly trước một tờ giấy trắng có kẻ sọc, chụp quay chậm. Các sọc bị méo khi nhìn qua gờ rượu, giúp ta thấy gờ rõ hơn.

Với trẻ em, làm thí nghiệm tiêu và xà phòng trên đĩa nước để thấy dòng Marangoni mà không cần đến rượu.