Mistério físico de 400 anos é desvendado

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As formas estranhas, chamadas gotas do Príncipe Rupert, representaram um enigma que bloqueou os cientistas há 400 anos.

“A cabeça pode suportar marteladas e a cauda pode ser quebrada com a menor pressão dos dedos e, dentro de alguns microssegundos, o todo se fragmenta em pó fino com um som que acompanha o estímulo”, afirmou Srinivasan Chandrasekar, coautor do estudo e professor de engenharia industrial da Purdue University, em Indiana, em um comunicado.

Agora, um novo estudo revela que a cabeça desses pequenos objetos de vidro tem uma força tão grande por conta das forças de compressão que atuam na parte externa das gotas. Essas forças compõem as forças de compressão em algumas formas de aço, descobriu o estudo.

As gotas do Príncipe Rupert ganharam fama em 1660, quando Príncipe Rupert, do Reno (na Alemanha), levou algumas das gotas ao rei Carlos II, da Inglaterra. As gotas, que são feitas pelo derramamento de vidro derretido em água fria, provavelmente foram conhecidas por fabricantes de vidro séculos antes. Charles entregou-as à Royal Society, que publicou sua primeira pesquisa acadêmica sobre as propriedades em 1661.

Ao longo dos séculos, cientistas estiveram perplexos sobre o enigma das gotas do Príncipe Rupert. Em 1994, Chandrasekar e um colega usaram uma câmera de alta velocidade para capturar 1 milhão de quadros por segundo das gotas quando se quebraram. As imagens revelaram pequenas rachaduras que se formam na cauda se espalham rapidamente pela cabeça.

Uma vez que essas fissuras atingem velocidades suficientemente altas (cerca de 1,5 km por segundo), elas se dividem em duas, disse Chandrasekhar. Então, essas duas fendas atingem uma velocidade suficientemente alta e também se dividem em duas, e assim por diante. Eventualmente, toda a estrutura é completamente ultrapassada por uma infinidade de rachaduras pequenas.

“A cauda se apaga e a cabeça explode em pó, e essa parte é bastante espetacular”, disse Chandrasekhar.

Essa descoberta explicou por que o encravamento da cauda destrói a estrutura com tanta facilidade. No entanto, desde essa pesquisa, os cientistas tentaram explicar a combinação paradoxal de força e fragilidade desse formato de vidro, mas nunca apresentaram uma explicação satisfatória sobre as propriedades quase destrutivas da cabeça.

No novo estudo, Chandrasekar confiou em uma técnica ligeiramente diferente, chamada fotoelasticidade integrada, para revelar os mistérios das cabeças das gotas de vidro. A técnica exige colocar o objeto na água e depois passar ondas de luz polarizadas através do material. Estresses internos dentro do material alteram a polarização da luz. Observar a polarização das ondas de luz que saem através de filtros especiais revela as tensões internas dentro do objeto.

Descobriu-se que as cabeças das gotas do Príncipe Rupert sofrem níveis extraordinários de estresse compressivo – cerca de 50 toneladas por polegada quadrada. (Estresse compressivo é a força por unidade de área que “esmaga” as coisas.)

Essas tensões formam-se porque o tipo de vidro usado nessas gotas – que se expande com o calor – também encolhe quando exposto a água fria. Durante o processo para fazer estas gotas, o vidro fundido é mergulhado em água fria. Quando o vidro atinge a água, o exterior esfria mais rápido do que o interior. A camada externa do vidro, em seguida, forma uma espécie de cobertura que esconde o interior. Como o interior ainda está esfriando, e porque as forças totais que atuam no objeto têm que ser iguais a zero, a cabeça forma esforços de tração em seu interior, informaram os pesquisadores em seu artigo, que foi publicado on-line na Applied Physics Letters.

Traduzido e adaptado de Live Science.

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