foto: steemit.com
Oamenii de ştiinţă au descoperit de ce „picăturile prinţului Rupert” sunt extrem de dure în partea bombată, dar foarte fragile în coadă.
Misterul unor mici obiecte artizanale din sticlă, în formă de lacrimă şi cu o coadă lungă şi subţire, denumite „lacrimi de Batavia”, pot rezista unor lovituri de ciocan şi, în acelaşi timp se pot sparge la cea mai fină atingere, a fost elucidat după aproape patru secole, conform unui material publicat de Live Science.
„Pe de-o parte, capul (picăturii) poate rezista loviturilor de ciocan, iar de cealaltă parte, coada poate fi spartă la cea mai fină apăsare cu degetul, iar în câteva microsecunde întregul obiect se dezintegrează într-un praf fin de sticlă”, explică Srinivasan Chandrasekar, profesor de inginerie industrială şi director al Centrului pentru procesarea Materialelor şi Tribologie de la Universitatea Purdue, din Indiana, coautor al noului studiu.
Conform noului studiu, capul acestor obiecte este extrem de rezistent din cauza forţelor de compresiune care acţionează la exteriorul picăturii şi care pot rivaliza cu forţele de compresiune suportate de anumite tipuri de oţel.
Picăturile prinţului Rupert au devenit faimoase în anul 1660, pe când prinţul german Rupert de Rin i-a oferit câteva astfel de obiecte vărului său, regele Carol al II-lea al Angliei. Astfel de curiozităţi, obţinute atunci când sticla topită este picurată într-un recipient conţinând apă rece, erau cunoscute maeştrilor sticlari de secole. Uimit de proprietăţile acestor obiecte, Carol al II-lea le-a trimis spre cercetare savanţilor din Royal Society, care au publicat o primă analiză a acestora în anul 1661, fără a înţelege însă cum de aceste picături puteau fi, în acelaşi timp, atât de rezistente şi atât de friabile.
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 1994 Chandrasekar şi un coleg au folosit o cameră video de mare viteză pentru a filma cu 1 milion de cadre pe secundă cum se sparg aceste picături. Prin examinarea filmării ei au observat că mici crăpături care se formează în coadă, se extind cu rapiditate spre capul picăturii. Odată ce aceste crăpături ajung să se extindă cu o viteză suficient de mare (aproximativ 1,5 kilometri pe secundă), se bifurcă. Apoi când cele două crăpături rezultate ajung să se propage cu o viteză suficient de mare, se bifurcă la rândul lor şi tot aşa. În cele din urmă întregul obiect este pulverizat de extinderea şi înmulţirea acestor mici crăpături.
„Coada i se rupe, dar capul parcă explodează pur şi simplu şi nu rămâne decât praf, iar această parte este cu adevărat spectaculoasă”, a explicat Chandrasekhar pentru Live Science.
Această descoperire explică de ce ruperea cozii distruge atât de uşor acest obiect. Pornind de aici, oamenii de ştiinţă au încercat să explice paradoxala îmbinare de rezistenţă şi fragilitate a picăturilor prinţului Rupert, dar nu au putut elucida caracterul incasabil al capului.
În noul studiu, Chandrasekar a apelat la o tehnică denumită fotoelasticitate integrată pentru a afla care este misterul acestei rezistenţe. Această tehnică presupune plasarea obiectului într-un bazin cu apă şi trecerea prin el a unor unde luminoase polarizate, orientate într-un singur plan. Tensiunile interne din material modifică polarizarea luminii. Analiza polarizării undelor de lumină care au trecut prin obiect identifică tensiunile interne din acesta, atât din capul ultrarezistent cât şi din coada ultrafriabilă.
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.
Astfel, motivul pentru care tensiunile de compresiune de la exterior împiedică spargerea capului picăturii de sticlă devine evident: atomii de sticlă sunt înghesuiţi strâns unii în alţii iar întreaga structură devine mult mai rezistentă.
O aplicaţie actuală a proprietăţilor lacrimilor de Batavia se găseşte în sticla securit folosită la parbrize. Tratamentul termic duce la creşterea rezistenţei mecanice, iar daca totuşi geamul se sparge el formează cioburi minuscule, care nu sunt periculoase.
surse:
