Forskere løser 400-årige mysterium om Prince Ruperts-dråber

(Phys.org)-Forskere har endelig besvaret et spørgsmål, der har stubbet forskere siden begyndelsen af ​​1600'erne:Hvorfor er hovederne på haletudseformede glasstykker kaldet "Prince Ruperts dråber" så stærke?

I den 17 ^th århundrede, Prins Rupert fra Tyskland bragte nogle af disse glasdråber til Englands kong Charles II, der var fascineret af deres usædvanlige egenskaber. Selvom faldets hoved er så stærkt, at det kan modstå en hammer, halen er så skrøbelig, at bøjning med fingrene ikke kun vil bryde halen, men få hele dråben til øjeblikkeligt at gå i opløsning til et fint pulver.

Prince Ruperts dråber laves let ved at tabe rødglødende klatter af smeltet glas i vand. Selvom forskere har forsøgt at forstå, hvad der forårsager de usædvanlige egenskaber ved disse dråber i mange år, det var først for nylig, at moderne teknologi har gjort det muligt for forskere at undersøge dem grundigt.

I 1994, S. Chandrasekar ved Purdue University og M. M. Chaudhri ved University of Cambridge brugte fotografering med højhastighedsindramning til at observere den faldende proces. Fra deres eksperimenter, de konkluderede, at overfladen af ​​hver dråbe oplever stærkt tryk, mens interiøret oplever højspændingskræfter. Så faldet er i en tilstand af ustabil ligevægt, som let kan forstyrres ved at bryde halen.

Et åbent spørgsmål, imidlertid, er, hvordan belastningerne fordeles gennem en prins Ruperts fald. At forstå stressfordelingen ville hjælpe til mere fuldstændigt at forklare, hvorfor hovederne på disse dråber er så stærke.

At gøre dette, Chandrasekar og Chaudhri begyndte at samarbejde med Hillar Aben, professor ved Tallinn University of Technology i Estland. Aben har specialiseret sig i at bestemme restspændinger i transparente tredimensionelle objekter, såsom prins Ruperts dråber.

I den nye undersøgelse offentliggjort i Anvendt fysik bogstaver , Aben, Chandrasekar, Chaudhri, og deres medforfattere har undersøgt spændingsfordelingen i Prince Ruperts dråber ved hjælp af et transmissionspolariskop, som er en type mikroskop, der måler dobbeltbrydningen i et aksisymmetrisk transparent objekt, såsom en prins Ruperts dråbe.

I deres eksperimenter, forskerne suspenderede et prins Ruperts fald i en klar væske, og oplyste derefter faldet med en rød LED. Ved hjælp af polariscope, forskerne målte den optiske retardering af lyset, da det rejste gennem glasfaldet, og brugte derefter dataene til at konstruere stressfordelingen gennem hele faldet.

Resultaterne viste, at dråbernes hoveder har en meget højere overfladetrykspænding end tidligere antaget - op til 700 megapascal, hvilket er næsten 7, 000 gange atmosfærisk tryk. Dette overfladetryklag er også tyndt, ca. 10% af diameteren af ​​hovedet på en dråbe.

Som forskerne forklarer, disse værdier giver dråbehovederne en meget høj brudstyrke. For at bryde en dråbe, det er nødvendigt at skabe en revne, der kommer ind i den indvendige spændingszone i faldet. Da revner på overfladen har en tendens til at vokse parallelt med overfladen, de kan ikke komme ind i spændingszonen. I stedet, den letteste måde at bryde en dråbe på er at forstyrre halen, da en forstyrrelse på dette sted tillader revner at komme ind i spændingszonen.

Samlet set, forskerne mener, at resultaterne endelig forklarer den store styrke ved prins Ruperts dråber.

"Arbejdet har fuldt ud forklaret, hvorfor hovedet på en dråbe er så stærkt, "Fortalte Chaudhri Phys.org . "Jeg tror, ​​at vi nu har løst de fleste af de vigtigste aspekter af dette område. Men nye spørgsmål kan dukke op uventet. "

© 2017 Phys.org