(Phys.org)—Forskare har äntligen besvarat en fråga som har stört forskare sedan tidigt 1600-tal:Varför är huvudena på grodyngelformade glasbitar som kallas "Prins Ruperts droppar" så starka?

I den 17 ^th århundrade, Prins Rupert från Tyskland tog med några av dessa glasdroppar till Englands kung Charles II, som var fascinerad av deras ovanliga egenskaper. Medan droppens huvud är så starkt att det kan motstå stöten från en hammare, svansen är så ömtålig att om du böjer den med fingrarna kommer inte bara svansen att bryta, men få hela droppen att omedelbart sönderfalla till ett fint pulver.

Prince Ruperts droppar görs enkelt genom att släppa glödheta klumpar av smält glas i vatten. Även om forskare har försökt förstå vad som orsakar de ovanliga egenskaperna hos dessa droppar i många år, det var inte förrän nyligen som modern teknik har gjort det möjligt för forskare att grundligt undersöka dem.

1994, S. Chandrasekar vid Purdue University och M. M. Chaudhri vid University of Cambridge använde höghastighetsfotografering för att observera den droppkrossande processen. Från deras experiment, de drog slutsatsen att ytan på varje droppe utsätts för mycket tryckspänningar, medan interiören upplever höga spänningskrafter. Så droppen är i ett tillstånd av instabil jämvikt, som lätt kan störas genom att bryta svansen.

En öppen fråga, dock, är hur påfrestningarna fördelas över en Prince Ruperts droppe. Att förstå stressfördelningen skulle hjälpa till att mer fullständigt förklara varför huvudena på dessa droppar är så starka.

Att göra detta, Chandrasekar och Chaudhri började samarbeta med Hillar Aben, professor vid Tallinns tekniska universitet i Estland. Aben är specialiserad på att bestämma restspänningar i transparenta tredimensionella föremål, som prins Ruperts droppar.

I den nya studien publicerad i Bokstäver i tillämpad fysik , Aben, Chandrasekar, Chaudhri, och deras medförfattare har undersökt spänningsfördelningen i Prince Ruperts droppar med hjälp av ett transmissionspolariskop, vilket är en typ av mikroskop som mäter dubbelbrytningen i ett axelsymmetriskt transparent objekt, till exempel en Prince Ruperts droppe.

I deras experiment, forskarna suspenderade en Prince Ruperts droppe i en klar vätska, och belyste sedan droppen med en röd lysdiod. Med hjälp av polariskopet, forskarna mätte den optiska retardationen av ljuset när det färdades genom glasdroppen, och använde sedan data för att konstruera spänningsfördelningen över hela droppen.

Resultaten visade att dropparnas huvuden har en mycket högre yttrycksspänning än man tidigare trott - upp till 700 megapascal, vilket är nästan 7, 000 gånger atmosfärstryck. Detta yttryckskikt är också tunt, cirka 10 % av diametern på dropphuvudet.

Som forskarna förklarar, dessa värden ger dropphuvudena en mycket hög brotthållfasthet. För att bryta en droppe, det är nödvändigt att skapa en spricka som går in i den inre spänningszonen i droppen. Eftersom sprickor på ytan tenderar att växa parallellt med ytan, de kan inte komma in i spänningszonen. Istället, det enklaste sättet att bryta en droppe är att störa svansen, eftersom en störning på denna plats tillåter sprickor att komma in i spänningszonen.

Övergripande, forskarna tror att resultaten slutligen förklarar den stora styrkan i prins Ruperts droppar.

"Arbetet har till fullo förklarat varför huvudet på en droppe är så starkt, " berättade Chaudhri Phys.org . "Jag tror att vi nu har löst de flesta av de viktigaste aspekterna av detta område. nya frågor kan dyka upp oväntat."

© 2017 Phys.org