Los investigadores han respondido finalmente a una pregunta que ha confundido a los científicos desde principios del siglo XVII: ¿por qué son tan fuertes las cabezas de las piezas de vidrio en forma de renacuajo llamadas "gotas del príncipe Rupert"?
Gota del príncipe Rupert
En el siglo 17mo, el príncipe Rupert de Alemania trajo algunas de estas gotas de cristal al rey de Inglaterra Charles II, que estuvo intrigado por sus características inusuales. Mientras que la cabeza de la gota es tan fuerte que puede soportar el impacto de un martillo, la cola es tan frágil que doblarla con sus dedos no sólo romperá la cola, sino que hará que la gota entera se desintegre instantáneamente en un polvo fino.
Las gotas del príncipe Rupert son fáciles de hacer dejando caer gotas rojas de vidrio fundido en el agua. Aunque los investigadores han tratado de entender lo que causa las propiedades inusuales de estas gotas durante muchos años, no fue hasta hace poco que la tecnología moderna ha permitido a los investigadores investigarlas minuciosamente.
En 1994, S. Chandrasekar en la Universidad de Purdue y M. M. Chaudhri en la Universidad de Cambridge utilizaron la fotografía enmarcadora de alta velocidad para observar el proceso de destrucción de gotas. De sus experimentos, concluyeron que la superficie de cada gota experimenta tensiones altamente compresivas, mientras que el interior experimenta fuerzas de alta tensión. Así que la gota está en un estado de equilibrio inestable, que se puede perturbar fácilmente rompiendo la cola.
Sin embargo, una pregunta abierta es cómo se distribuyen las tensiones a lo largo de la caída del Príncipe Rupert. Entender la distribución del estrés ayudaría a explicar más completamente por qué las cabezas de estas gotas son tan fuertes.
Para ello, Chandrasekar y Chaudhri empezaron a colaborar con Hillar Aben, profesor de la Universidad Tecnológica de Tallin en Estonia. Aben se especializa en determinar tensiones residuales en objetos tridimensionales transparentes, tales como gotas del príncipe Rupert
En el siglo 17mo, el príncipe Rupert de Alemania trajo algunas de estas gotas de cristal al rey de Inglaterra Charles II, que estuvo intrigado por sus características inusuales. Mientras que la cabeza de la gota es tan fuerte que puede soportar el impacto de un martillo, la cola es tan frágil que doblarla con sus dedos no sólo romperá la cola, sino que hará que la gota entera se desintegre instantáneamente en un polvo fino.
Las gotas del príncipe Rupert son fáciles de hacer dejando caer gotas rojas de vidrio fundido en el agua. Aunque los investigadores han tratado de entender lo que causa las propiedades inusuales de estas gotas durante muchos años, no fue hasta hace poco que la tecnología moderna ha permitido a los investigadores investigarlas minuciosamente.
En 1994, S. Chandrasekar en la Universidad de Purdue y M. M. Chaudhri en la Universidad de Cambridge utilizaron la fotografía enmarcadora de alta velocidad para observar el proceso de destrucción de gotas. De sus experimentos, concluyeron que la superficie de cada gota experimenta tensiones altamente compresivas, mientras que el interior experimenta fuerzas de alta tensión. Así que la gota está en un estado de equilibrio inestable, que se puede perturbar fácilmente rompiendo la cola.
Sin embargo, una pregunta abierta es cómo se distribuyen las tensiones a lo largo de la caída del Príncipe Rupert. Entender la distribución del estrés ayudaría a explicar más completamente por qué las cabezas de estas gotas son tan fuertes.
Para ello, Chandrasekar y Chaudhri empezaron a colaborar con Hillar Aben, profesor de la Universidad Tecnológica de Tallin en Estonia. Aben se especializa en determinar tensiones residuales en objetos tridimensionales transparentes, tales como gotas del príncipe Rupert
Las franjas a lo largo de la gota del príncipe Rupert indican tensiones residuales. Crédito: Aben et al. © 2017 Instituto Americano de Física.
En el nuevo estudio publicado en Applied Physics Letters, Aben, Chandrasekar, Chaudhri, y sus coautores han investigado la distribución de la tensión en las gotas del príncipe Rupert usando un polariscopio de transmisión, que es un tipo de microscopio que mide el birrefringencia en un objeto transparente AXI-simétrico, tal como la gota del príncipe Rupert.
En sus experimentos, los investigadores suspendieron la caída de un príncipe Rupert en un líquido claro, y luego iluminaron la gota con un LED rojo. Usando el Polariscopio, los investigadores midieron el retraso óptico de la luz mientras viajó a través de la gota de cristal, y después utilizaron los datos para construir la distribución de la tensión a través de la gota entera.
Los resultados mostraron que las cabezas de las gotas tienen un estrés de compresión superficial mucho más alto que el previamente pensado — hasta 700 megapascals, que es casi 7.000 veces la presión atmosférica. Esta capa compresiva superficial es también delgada, cerca del 10% del diámetro de la cabeza de una gota.
Como los investigadores explican, estos valores dan a las cabezas de las gotitas una fuerza muy alta de fractura. Con el fin de romper una gotita, es necesario crear una grieta que entra en la zona de tensión interior en la caída. Dado que las grietas en la superficie tienden a crecer paralelas a la superficie, no pueden entrar en la zona de tensión. En cambio, la forma más fácil de romper una gota es perturbar la cola, ya que una perturbación en esta ubicación permite que las grietas entren en la zona de tensión.
En general, los investigadores creen que los resultados finalmente explican la gran fuerza de las gotas del príncipe Rupert.
"El trabajo ha explicado completamente por qué la cabeza de una gota es tan fuerte", dijo Chaudhri. "Creo que ahora hemos solucionado la mayoría de los aspectos principales de esta área." Sin embargo, las nuevas preguntas pueden emerger inesperadamente.