Investigadores finalmente han respondido a un enigma científico desde hace 400 años: ¿Por qué son tan fuertes las cabezas de vidrio en forma de renacuajo llamadas gotas del Príncipe Rupert?
En el siglo XVII, el príncipe Rupert de Alemania trajo algunas de estas gotas de cristal al rey Carlos II de Inglaterra, que quedó 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 los dedos no sólo la desmembra, sino que la gota entera de desintegra instantáneamente en un polvo fino.
Las gotas de Príncipe Rupert se hacen fácilmente dejando caer manchas rojas de vidrio fundido en 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 investigar a fondo.
En 1994, S. Chandrasekar en la Universidad de Purdue y M. M. Chaudhri en la Universidad de Cambridge utilizaron la fotografía de encuadre de alta velocidad para observar el proceso de la gota cuando se rompe. De sus experimentos, concluyeron que la superficie de cada gota experimenta tensiones altamente compresivas, mientras que el interior experimenta fuerzas de alta tensión. Por lo tanto, la gota está en un estado de equilibrio inestable, que puede ser fácilmente perturbado al romperse la cola.
Sin embargo, una pregunta abierta es cómo se distribuyen las tensiones a lo largo de estas estructuras de vidrio, también conocidas como ‘lagrimas holandesas’. Comprender la distribución del estrés ayudaría a explicar más completamente por qué las cabezas de estas gotas son tan fuertes.
Para ello, Chandrasekar y Chaudhri comenzaron a colaborar con Hillar Aben, profesor de la Universidad Tecnológica de Tallinn, en Estonia. Aben se especializa en la determinar las tensiones residuales en objetos tridimensionales transparentes, como las gotas del Príncipe Rupert.
En el nuevo estudio publicado en Applied Physics Letters, Aben, Chandrasekar, Chaudhri y sus coautores han investigado la distribución de tensión en las gotas de Prince Rupert usando un polariscopio de transmisión, que es un tipo de microscopio que mide la birrefringencia en un objeto transparente axi-simétrico, como las gotas del Príncipe Rupert.
En sus experimentos, los investigadores suspendieron la gota en un líquido claro, y luego iluminaron la gota con un LED rojo. Usando el polariscopio, los investigadores midieron el retardo óptico de la luz a medida que viajaban a través de la gota de vidrio, y luego utilizaron los datos para construir la distribución del estrés a lo largo de toda la gota.
Los resultados mostraron que las cabezas de las gotas tienen una tensión de compresión de superficie mucho más alta de lo que se pensaba hasta 700 megapascales, que es casi 7.000 veces la presión atmosférica. Esta capa de compresión superficial es también delgada, aproximadamente el 10% del diámetro de la cabeza de una gota.
Como explican los investigadores, estos valores dan a las cabezas de las gotas una resistencia a la fractura muy alta. Para romper una, es necesario crear una grieta que entre en la zona de tensión interior en la gota. 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 manera más fácil de romper una gota es presionar en 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 por qué la cabeza de una gota de este tipo es tan fuerte”, dijo Chaudhri a Phys.org. “Creo que ahora hemos resuelto la mayoría de los aspectos principales de esta área, sin embargo, nuevas preguntas pueden surgir inesperadamente”.
Fuente: Europa Press