Enigma „lacrimii olandeze” rezolvată după 400 de ani

Oamenii de ştiinţă au descoperit de ce „picăturile prinţului Rupert” sunt extrem de dure în partea bombată, dar foarte fragile în coadă.

Picăturile prinţului Rupert
Picăturile prinţului Rupert (wikipedia.org)

În anul 1660, prinţul Rupert al Germaniei a dăruit picături de cristal regelui Carol al II-lea al Angliei, care a fost intrigat de caracteristicile lor neobişnuite şi care, la rândul său, le-a înmânat membrilor Societăţii Regale pentru un studiu ştiinţific. Printre cei care le-au analizat şi descris a fost şi Robert Hooke, cunoscut în istoria fizicii pentru studiile sale asupra elasticităţii.

Aceste picături, numite şi lacrimi batavice, lacrimi olandeze, lacrimi de sticlă sau picăturile prinţului Rupert, se produc lăsând să cadă picături de sticlă topită în apă rece. Stratul exterior se răceşte şi se solidifică mai repede în contact cu apa, în timp ce capacitatea calorică face ca partea interioară să se răcească mai târziu. Solidificarea la momente diferite a straturilor de sticlă duce la apariţia unor tensiuni interne foarte mari: de compresie la exterior şi de întindere în interior. Sticla capătă astfel proprietatea de a fi foarte dură în partea umflată, unde nu se sparge nici dacă este lovită puternic cu ciocanul, în timp ce ruperea cozii duce la dezintegrarea aproape instantanee a întregului obiect şi transformarea lui în pulbere fină, producând o pocnitură puternică. În funcţie de cantitatea de sticlă topită folosită, lacrimile de Batavia pot fi mici, cu dimensiuni de ordinul milimetrilor, sau mari, de ordinul a câţiva centimetri în diametru şi zeci de centimetri în lungime.

Oamenii de ştiinţă au încercat timp de patru secole, să înţeleagă proprietăţile acestor structuri, dar numai acum tehnologia a făcut lumină, literalmente, în această problemă. Srinivasan Chandrasekar, de la Universitatea de Purdue (Indiana, SUA) şi Munawar Chaudhri, de la Universitatea din Cambridge, au folosit un polariscop de transmisie - un tip de instrument optic pentru studiul calitativ al efectelor de polarizare a luminii la trecerea ei printr-o substanţă - pentru a măsura tensiunea în interiorul picăturilor.

În experiment, cercetătorii au suspendat sfera într-un lichid limpede şi iluminat cu un LED roşu. Folosind polariscopul, au măsurat retardul optic al luminii pe măsură ce călătoreau prin structura de sticlă, şi apoi au utilizat datele pentru a analiza distribuţia tensiunilor de-a lungul întregii picături.

Rezultatele, publicate în revista Applied Physics Letters, au arătat că în partea umflată picăturile au o tensiune de compresiune de suprafaţă mult mai mare decât se credea anterior: 700 megapascali (Mpa), aproape de 7.000 de ori presiunea atmosferică. Acest strat de compresie de suprafaţă este, de asemenea, subţire, aproximativ 10% din diametrul părţii umflate a obiectului. Aceste valori dau părţii umflate a picăturii o rezistenţă foarte mare, explică oamenii de ştiinţă. Pentru a rupe una, este necesar să se creeze o fisură care să intre în zona de tensiune din interiorul sferei. Deoarece fisurile de suprafaţă tind să crească paralel cu această suprafaţă, nu pot intra în acea zonă. Cel mai simplu mod de a sparge una dintre aceste structuri este deci presarea în linie, generând o mişcare care să permită fisurilor să ajungă la zona de tensiune.

Chandrasekar şi Chaudhri au început să investigheze misterul sferelor Rupert în anii 90. În 1994, oamenii de ştiinţă au publicat primul studiu cu privire la acest subiect în revista Philosophical Magazine B , în care au folosit fotografia de încadrare de mare viteză pentru a viziona procesul de ruptură al unei picături. "Am folosit cele mai bune tehnologii disponibile la momentul respectiv şi am fotografiat la o viteză de până la un milion de cadre pe secundă", spune Chaudhri.

Oamenii de ştiinţă au concluzionat, plecând de la acest prim experiment, că suprafaţa fiecărei picături suferă tensiuni extreme de compresie la exterior şi de întindere în interior. Obiectul este, prin urmare, într-o stare de echilibru instabil, care poate fi uşor perturbat atunci când coada se rupe.

Pentru a obţine rezultatele prezentate în ultimul lor studiu, Chandrasekar şi Chaudhri au început să colaboreze cu Hillar Aben, profesor la Universitatea Tehnologică din Tallinn, Estonia, specialist în determinarea tensiunilor reziduale în obiecte tridimensionale transparente. Cercetătorii cred că acest studiu explică marea forţă a picăturilor prinţului Rupert.

Surse: Applied Physics Letters: On the extraordinary strength of Prince Rupert's drops, Daily Mail, Wikipedia

Dacă v-a plăcut acest articol, vă invităm să vă alăturaţi, cu un Like, comunităţii de cititori de pe pagina noastră de Facebook.

alte articole din secțiunea Știință