راز شگفت انگیز قطره اشکی به محکمی فولاد - راه ساری

به گزارش خبرآنلاین به نقل از livescience، ساختار عجیب این شیشه ها که قطرات شاهزاده روپرت نامیده می شوند، برای حدود 400 سال فکر دانشمندان را به خود مشغول نموده بود.

سرینیواسان چاندراسکار، استاد مهندسی صنایع و مدیر مرکز پردازش مواد و تریبولوژی دانشگاه پردوی ایندیانا دراین باره گفته: از یک سو، سر این قطره شیشه ای می تواند در برابر ضربات سخت مقاومت کند و سوی دیگر آن، یعنی قسمت انتهایی و دم قطره، با کوچکترین فشار انگشت شکسته می شود و در چند میکروثانیه، کل ماده به پودر ریزی تبدیل شده که این تخریب با صدای تند و تیزی همراه است.

حالا تحقیقات نو حکایت از آن دارد که بخش سر این این قطرات شیشه ای، به علت نیرو های فشاری وارد بر قسمت بیرونی قطره ها استحکام عجیب و غریبی دارند. در این تحقیق تعیین شد که این نیروها، در حد و مقدار نیرو های فشاری در بعضی از اشکال فولاد هستند.

چرا قطره شاهزاده روپرت؟

قطره شاهزاده روپرت در سال 1660 به معروفیت رسید. زمانی که شاهزاده روپرت راین (آلمان)، چند تکه از این شیشه را برای هدیه به پادشاه چارلز دوم انگلستان داد. (قطره های شاهزاده روپرت که از ریختن شیشه مذاب در آب سرد به دست می آید، احتمالا قرن ها قبل به وسیله شیشه گران ساخته شده بود). شاه چارلز این قطرات شیشه ای را به انجمن سلطنتی سپرد و آن ها نتیجه اولین تحقیقات علمی خود درباره خواص این شیشه ها را در سال 1661 منتشر کردند.

در طول قرن ها، دانشمندان ابهامات زیادی در خصوص قطرات شاهزاده روپرت داشتند تا اینکه در سال 1994، چاندراسکار و یکی از همکارانش، با بهره گیری از یک دوربین پرسرعت با سرعت ثبت 1 میلیون فریم تصویر در ثانیه، در هنگام شکستن این شیشه، از این قطرات عکاسی کردند. این تصاویر ثبت شده نشان داد که قطعات ریزی که در قسمت دم و پایانی قطرات قرار دارند، به سرعت به سمت سر قطره پخش می شوند.

طبق گفته چاندراسکار، زمانی که خرده شیشه ها به سرعت کافی می رسند (حدود 1.5 کیلومتر در ثانیه)، به دو نیم تقسیم می شوند و سپس دو تکه شیشه وقتی به سرعت کافی رسیدند، مجددا هریک به دو قسمت تقسیم می شوند و بدین ترتیب ساختار قطره کاملا با هزاران شکاف پوشیده می شود. چاندراسکار دراین باره گفته: قسمت دم اشک جدا می شود، ولی سر اشک به پودر تبدیل می شود و این بخش از ماجرا واقعا تماشایی است.

سر قوی و دم ضعیف

این یافته ها نشان داد که چرا وارد کردن ضربه به دم اشک، به راحتی ساختار آن را از بین می برد. از آن موقع به بعد، دانشمندان سعی کردند تا ترکیب متناقض استحکام و شنمایندگی در این قطرات شیشه ای را شرح دهند، ولی هرگز به شرح رضایت بخشی درباره خواص این قطره و به ویژه غیرشنماینده بودن بخش سر آن دست نیافتند.

در تحقیقات نو، چاندراسکار، به سراغ تکنیک متفاوتی به نام فوتو الاستیسیته یکپارچه رفت تا از راز مقاوم بودن سر قطره شیشه ای سر در بیاورد. این تکنیک بدین ترتیب بود که قطرات شاهزاده روپرت را در یک حوضچه آب قرار داده و سپس امواج نور پلاریزه یا نوری که در یک صفحه منفرد جهت گیری شده را از این ماده عبور می دادند. تنش های درونی قطره شاهزاده روپرت، قطبش (پلاریزاسیون) نور را تغییر می داد. نگاهی به پلاریزاسیون (قطبش) امواج نور خروجی به وسیله فیلتر های ویژه، از تنش های داخل قطره شاهزاده روپرت، که در این مورد در سر و دم قطره بود، حکایت داشت.

تعیین شد که بخش سر قطرات شاهزاده روپرت، سطح بسیار بالایی از تنش فشاری را تحمل می نمایند که برابر با 50 تن در هر اینچ مربع است (تنش فشاری نیرویی در واحد سطح است که چیز ها را به هم فشرده و روی هم له می نماید.)

این تنش ها به این علت شکل می گیرند که جنس شیشه مورد استفاده در این قطرات اشک (که با گرما به صورت چشمگیری منبسط می شوند)، هنگامی که در معرض آب سرد قرار می گیرند نیز به طرز چشمگیری منقبض خواهند شد.

روند ساخت قطرات شاهزاده روپرت

در طول فرآیند ساخت این قطرات، شیشه ذوب شده را در آب سرد فرو می نمایند. زمانی که شیشه به آب برخورد می نماید، بخش خارجی آن زودتر از بخش داخلی سرد می شود. لایه خارجی شیشه، نوعی پوشش را تشکیل می دهد که باعث فشرده شدن بخش داخلی می شود.

از آنجا که بخش داخلی قطره هنوز در حال سرد شدن است و به خاطر آنکه مجموع نیرو های وارد بر جسم باید برابر با صفر شود، بخش سر قطره، تنش های کششی را در داخل آن ایجاد می نماید (به طور کلی، تنش کششی، نیرویی داخلی در واحد سطح است که چیز ها را از هم جدا می نماید؛ دقیقا مثل پاره کردن یک تکه کاغذ از وسط. تنش های کششی و فشاری در جهت مخالف هم عمل نموده و بنابراین همدیگر را خنثی می نمایند.)

علت آنکه تنش فشاری در قسمت بیرونی قطرات، مانع از شکستگی آن می شود، موضوع تا حدودی شهودی است. فشرده سازی، در حقیقت له کردن اتم های شیشه و نزدیکتر کردن آن ها به یکدیگر است. چرا که آن ها جایی برای فرار کردن ندارند. شکستگی ها نیز به سادگی در موادی که تحت فشار هستند حرکت نمی نمایند و برعکس، بیشتر مواد وقتی در حالت کشش از هم جدا می شوند، راحت شکسته می شوند.

حتی سر قطره هم شکستنی است

البته حتی این قطرات مقاوم در برابر شکست هم در نهایت تحت فشار، ترک می خورند؛ طبق گفته چاندراسکار، اگر سر قطره را در داخل یک گیره قرار داده و فشار کافی به آن وارد کنید، آن بخش هم در نهایت پودر خواهد شد. البته که این فرآیند، به زیبایی فرآیند شکستن دم قطره نخواهد بود. اما در نهایت این نتیجه حاصل می شود که هیچ چیزی غیرقابل شکستن نیست؛ حتی سر قطره شاهزاده روپرت!