Μπορεί το γυαλί να σπάσει πραγματικά σφαίρες;

Οι σταγόνες του Πρίγκιπα Ρούπερτ είναι ισχυρά βολβώδη σφαιρίδια από λιωμένο γυαλί με πολύ εύθραυστη ουρά. Ενώ το βολβώδες κεφάλι μπορεί να αντέξει τις σφαίρες, η ουρά σπάει ακόμη και με την παραμικρή δύναμη, με αποτέλεσμα να σπάσει ολόκληρη η σταγόνα.

Το γυαλί είναι ένα από τα πιο ενδιαφέροντα υλικά που έχουν ανακαλυφθεί και κατασκευαστεί ποτέ από την ανθρωπότητα. Ενώ έχει μια συγκεκριμένη μοριακή δομή, δεν έχει χημικό τύπο που να το προσδιορίζει μεταξύ άλλων χημικών ουσιών.

Η μοριακή δομή του γυαλιού μπορεί να τροποποιηθεί για να καλύψει διάφορες ανάγκες, που κυμαίνονται από διακοσμητικούς σκοπούς έως αλεξίσφαιρα. Ωστόσο, αυτό το μυστικιστικό υλικό συνεχίζει να μας εκπλήσσει.

Για παράδειγμα, η αλεξίσφαιρα είναι ένα πράγμα, αλλά το να σπάσεις μια σφαίρα είναι εντελώς άλλο. Ναι, το διάβασες σωστά. Το γυαλί μπορεί πράγματι να σπάσει σφαίρες. Όσο και αν μπαίνουμε στον πειρασμό να ελέγξουμε αμέσως αυτό το γεγονός, ας αφιερώσουμε ένα λεπτό για να μάθουμε περισσότερα.

Τι είδους γυαλί μπορεί να σπάσει τις σφαίρες;

Όταν μικρά κομμάτια λιωμένου γυαλιού πέφτουν σε κρύο νερό, σχηματίζουν σχήματα παρόμοια με μια σταγόνα δακρύου με μια μικρή σγουρή ουρά. Το σχήμα τους και κάποια ιστορία με έναν αγγλογερμανικό βασιλικό οδήγησαν να ονομάζονται σταγόνες του πρίγκιπα Ρούπερτ. Ονομάζονται επίσης με άλλα ονόματα, όπως ολλανδικά και βαταβικά δάκρυα.

Οι σταγόνες του πρίγκιπα Ρούπερτ, γνωστές και ως δάκρυα Batavian, έχουν σχήμα σταγόνας και έχουν μια λεπτή, εύθραυστη ουρά (Photo Credit :Daria Berdnikova/Shutterstock)

Σε διάφορα πειράματα που διεξήχθησαν από επιστήμονες και ενθουσιώδεις, βρέθηκαν σφαίρες να βγαίνουν από το κεφάλι της σταγόνας. Σε αυτή τη διαδικασία, πολύ μικρή ζημιά θα προκληθεί από την ίδια τη βολβώδη κεφαλή, ενώ η σφαίρα θα αποσυντεθεί.

Τι κάνει τις σταγόνες του Prince Rupert τόσο ξεχωριστές;

Εάν ένα κομμάτι γυαλιού που θρυμματίζει σφαίρες σε σχήμα δάκρυ δεν είναι αρκετά ενδιαφέρον, εδώ είναι ένα διασκεδαστικό μικρό γεγονός. Αν κόψατε την ουρά μιας σταγόνας του πρίγκιπα Ρούπερτ, το όλο πράγμα θρυμματίζεται εκρηκτικά σε μικροσκοπικά θραύσματα.

Εδώ βρίσκεται το αίνιγμα… Πώς μπορεί κάτι που μπορεί να σπάσει τις σφαίρες κόβοντας απλώς τη λεπτή ουρά του; Το μυστικό βρίσκεται στη δομή της σταγόνας και στη διαδικασία σχηματισμού της.

Πώς σχηματίζονται οι σταγόνες του πρίγκιπα Ρούπερτ;

Όταν τα σταγονίδια λιωμένου γυαλιού πέφτουν σε κρύο νερό, το γυαλί υφίσταται μια διαδικασία σβέσης. Εάν είστε εξοικειωμένοι με τη λέξη, το πιθανότερο είναι ότι έχετε ακούσει για το σβήσιμο σε μέταλλα.

Η ξαφνική ψύξη ενός υλικού σε λιωμένη κατάσταση με τη βύθισή του σε μέσα ψύξης είναι γνωστή ως σβέση και προσδίδει αντοχή στο υλικό. (Φωτογραφία:Maksim Safaniuk/Shutterstock)

Η απόσβεση αναφέρεται σε μια διαδικασία ξαφνικής ψύξης των υλικών που έχουν θερμανθεί μέχρι τη λιωμένη τους κατάσταση. Αυτό επιτυγχάνεται με τη βύθιση του λιωμένου υλικού σε διάφορα μέσα, όπως κρύο νερό και λάδια.

Τι συμβαίνει κατά το σβήσιμο του γυαλιού;

Κατά τη διάρκεια της απόσβεσης, η πιο εξωτερική επιφάνεια του σταγονιδίου γυαλιού έρχεται σε επαφή πρώτα με το μέσο σβέσης, γεγονός που έχει ως αποτέλεσμα πολύ γρήγορη ψύξη. Ο πυρήνας της βολβώδους κεφαλής, από την άλλη πλευρά, δεν ψύχεται τόσο γρήγορα.

Αυτή η διαφορική ψύξη έχει ως αποτέλεσμα το εξώτατο μέρος της κεφαλής να υφίσταται υψηλή συμπιεστική τάση ή δυνάμεις που ωθούν τα μόρια πιο κοντά μεταξύ τους. Ωστόσο, το εσωτερικό μέρος, λόγω της πιο αργής ψύξης του, υφίσταται τάσεις εφελκυσμού που αναγκάζουν τα μόρια να απομακρυνθούν το ένα από το άλλο.

Πειράματα και παρατηρήσεις με τις σταγόνες του Prince Rupert

Ανάμεσα στα πιο δημοφιλή πειράματα που χρησιμοποιούν τα σταγονίδια του πρίγκιπα Ρούπερτ είναι το τεστ με σφαίρες, όπου αυτοί οι γυάλινοι λαμπτήρες αιωρούνται και πυροβολούνται. Παρατηρείται ότι η κεφαλή της σταγόνας μπορεί να αντέξει αρκετά καλά την κρούση μιας σφαίρας. Ωστόσο, καθώς τα ωστικά κύματα ταξιδεύουν στην ουρά του, προκαλεί την αποσύνθεση ολόκληρης της σταγόνας με εκρηκτικό τρόπο. Το ίδιο αποτέλεσμα μπορεί να παρατηρηθεί εάν η ουρά κόβεται μόνη της.

Μέχρι την εμφάνιση της τεχνολογίας απεικόνισης υψηλής ταχύτητας, η φυσική πίσω από τη διπλή συμπεριφορά των σταγόνων του πρίγκιπα Ρούπερτ ήταν σε μεγάλο βαθμό άγνωστη. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι εκρήγνυνται σε λεπτή σκόνη σχεδόν αμέσως, επομένως οι αλλαγές στη δομή τους δεν μπορούσαν να καταγραφούν αξιόπιστα.

Ο λόγος για τη διπλή συμπεριφορά του πρίγκιπα Ρούπερτ

Η απάντηση σε αυτή την ανώμαλη συμπεριφορά βρίσκεται στη δομή της σταγόνας. Η σταγόνα σχηματίζεται με τέτοιο τρόπο ώστε η εξωτερική επιφάνεια να ψύχεται πιο γρήγορα, ενώ το εσωτερικό τμήμα ψύχεται αργά.

Η διαφορική ψύξη έχει ως αποτέλεσμα το σχηματισμό ενός στρώματος συμπίεσης στο εξωτερικό και ενός στρώματος εφελκυσμού στο εσωτερικό.

Αυτό έχει ως αποτέλεσμα το εσωτερικό τμήμα να τραβάει την πιο εξωτερική επιφάνεια προς τα μέσα, δημιουργώντας υψηλές θλιπτικές τάσεις. Αυτές οι θλιπτικές τάσεις μπορεί να φτάσουν τα 700 megapascal. Το εσωτερικό του σταγονιδίου ψύχεται αργά, ωστόσο, και έχει ακόμη και κενές φυσαλίδες που υποδεικνύουν την παρουσία στρες, ακόμη και απουσία φόρτισης. Λόγω της αργής ψύξης, το εσωτερικό της σταγόνας υφίσταται υψηλή δύναμη εφελκυσμού που αποθηκεύεται κατά μήκος της ουράς ως ενέργεια.

Για να σπάσει η σταγόνα, ο στρεσογόνος παράγοντας πρέπει να δράσει απευθείας στη ζώνη τάσης, καθώς μια τέτοια αλληλεπίδραση θα προκαλέσει την εκρηκτική απελευθέρωση της συσσωρευμένης ενέργειας. Αυτό μπορεί να γίνει με την εφαρμογή υπερβολικών φορτίων στο βολβώδες κεφάλι της σταγόνας ή με την άμεση διατάραξη της ουράς.

Ενώ το μεγάλο συμπιεστικό στρώμα στο κεφάλι είναι αρκετά ισχυρό ώστε να αντέχει τις σφαίρες, τα κρουστικά κύματα που δημιουργούνται από την πρόσκρουση μπορούν να διαταράξουν την ουρά αρκετά ώστε να προκαλέσουν τη θραύση της σταγόνας. Ταυτόχρονα, το απλό κόψιμο της ουράς μπορεί να απελευθερώσει όλη την τάση εφελκυσμού με βίαιο τρόπο, προκαλώντας την αποσύνθεση ολόκληρης της σταγόνας, όπως φαίνεται στο παραπάνω κλιπ.

Τελική σημείωση – Περαιτέρω ανάγνωση

Η ιδέα των σταγόνων του πρίγκιπα Ρούπερτ δεν ήταν τυχαία ανακάλυψη και έχει προηγούμενο στη φύση. Το σβήσιμο του γυαλιού αρχικά μελετήθηκε σε ηφαιστειακή λάβα που θα έρεε στα κοντινά ποτάμια σε λιωμένη κατάσταση και θα σχημάτιζε γυαλί. Αυτό το γυαλί παρουσίασε τις ίδιες μηχανικές ιδιότητες που φαίνονται στα σταγονίδια του πρίγκιπα Ρούπερτ.

Το σκληρυμένο ή σκληρυμένο γυαλί μπορεί να αντέξει υψηλές κρούσεις και θρυμματίζεται σε μικρά κομμάτια όπως οι σταγόνες του Prince Rupert (Photo Credit :Shutterstock)

Μια παρόμοια εφαρμογή διαφορικής ψύξης από γυαλί σβέσης είναι το μπουκάλι Bologna. Ενώ η εξωτερική του επιφάνεια είναι αρκετά δυνατή για να σφυρηλατήσει ένα καρφί μέσα στο ξύλο, η εσωτερική επιφάνεια είναι τόσο εύθραυστη που ακόμη και μια μικρή γρατσουνιά το κάνει να σπάει εντελώς. Σήμερα, οι διαφορικοί ρυθμοί ψύξης λόγω της σβέσης του γυαλιού βρίσκουν επίσης χρήση σε σκληρυμένο γυαλί (κοινώς γνωστό ως tempered glass), το οποίο εμφανίζει παρόμοιες ιδιότητες με τις σταγόνες του Prince Rupert.