La caída del Príncipe Rupert

gotas del Príncipe Rupert (también conocidas como lágrimas holandesas o lágrimas de Batavia) son cuentas de vidrio templado creadas al gotear vidrio fundido. en agua fría, lo que hace que se solidifique en una gota con forma de renacuajo con una cola larga y delgada. Estas gotas se caracterizan internamente por tensiones residuales muy altas, que dan lugar a propiedades contrarias a la intuición, como la capacidad de resistir un golpe de un martillo o una bala en el extremo bulboso sin romperse, mientras que exhiben una desintegración explosiva si el extremo de la cola es incluso ligeramente dañado. En la naturaleza, estructuras similares se producen bajo ciertas condiciones en la lava volcánica, y se conocen como lágrimas de Pele.

The drops are named after Prince Rupert of the Rhine, who brought them to England in 1660, although they were reportedly being produced in the Netherlands earlier in the 17th century and had probably been known to glassmakers for much longer. Fueron estudiados como curiosidades científicas por la Royal Society y el desvelamiento de los principios de sus propiedades inusuales probablemente llevó al desarrollo del proceso de producción de vidrio endurecido, patentado en 1874. Las investigaciones realizadas en los siglos XX y XXI arrojan más luz sobre las razones de las propiedades contradictorias de las gotas.

Descripción

Las gotas de Prince Rupert se producen bajando gotas de vidrio fundido en agua fría. El vidrio se enfría rápidamente y se solidifica en el agua desde el interior exterior. Este apagado térmico puede describirse mediante un modelo simplificado de una esfera enfriada rápidamente. Las gotas de Prince Rupert han permanecido una curiosidad científica durante casi 400 años debido a dos propiedades mecánicas inusuales: cuando la cola es cortada, la gota se desintegra explosivamente en polvo, mientras que la cabeza bulbosa puede soportar fuerzas compresivas de hasta 664,300 newtons (67,740 kg)_f).

La desintegración explosiva surge debido a múltiples eventos de bifurcación de grietas cuando se corta la cola: una sola grieta se acelera en el campo de tensión residual de tracción en el centro de la cola y se bifurca después de alcanzar una velocidad crítica de 1.450 a 1.900 metros por segundo (3200 a 4300 mph). Dadas estas altas velocidades, el proceso de desintegración debido a la bifurcación de la grieta sólo puede inferirse mirando dentro de la cola y empleando técnicas de imágenes de alta velocidad. Quizás por eso esta curiosa propiedad de las gotas permaneció sin explicación durante siglos.

La segunda propiedad inusual de las gotas, a saber, la resistencia de las cabezas, es una consecuencia directa de grandes tensiones residuales de compresión⁠—hasta 700 megapascales (100.000 psi)⁠ —que existen en las proximidades de la superficie exterior de la cabeza. Esta distribución de tensiones se mide utilizando la propiedad natural del vidrio de birrefringencia inducida por tensiones y empleando técnicas de fotoelasticidad 3D. La alta tenacidad a la fractura debido a las tensiones de compresión residuales hace que las gotas de Prince Rupert sean uno de los primeros ejemplos de vidrio templado.

Historia

Se ha sugerido que los vidrieros conocen los métodos para fabricar las gotas desde los tiempos del Imperio Romano.

A veces atribuidas al inventor holandés Cornelis Drebbel, las gotas a menudo se denominaban lacrymae Borussicae (lágrimas prusianas) o lacrymae Batavicae (lágrimas holandesas) en los relatos contemporáneos.

Ya en 1625 aparecen relatos verificables de las gotas de Mecklenburg, en el norte de Alemania. El secreto de cómo elaborarlas permaneció en la zona de Mecklenburg durante algún tiempo, aunque desde allí las gotas se difundieron por toda Europa, para venderlas como juguetes o curiosidades.

El científico holandés Constantijn Huygens pidió a Margaret Cavendish, duquesa de Newcastle, que investigara las propiedades de las gotas; su opinión después de realizar experimentos fue que en su interior había una pequeña cantidad de líquido volátil atrapado.

Aunque el príncipe Rupert no descubrió las gotas, jugó un papel en su historia al traerlas a Gran Bretaña en 1660. Se las dio al rey Carlos II, quien a su vez las entregó en 1661 a la Royal Society (que había sido creado el año anterior) para estudio científico. Varias de las primeras publicaciones de la Royal Society dan cuenta de las gotas y describen los experimentos realizados. Entre estas publicaciones se encontraba Micrographia de 1665 de Robert Hooke, quien más tarde descubriría la Ley de Hooke. Su publicación expuso correctamente la mayor parte de lo que se puede decir sobre las gotas del Príncipe Rupert sin una comprensión más completa que la que existía en ese momento, de la elasticidad (a la que el propio Hooke contribuyó más tarde) y del fracaso de los materiales frágiles debido a la propagación de grietas. Una comprensión más completa de la propagación de grietas tuvo que esperar hasta el trabajo de A. A. Griffith en 1920.

En 1994, Srinivasan Chandrasekar, profesor de ingeniería de la Universidad Purdue, y Munawar Chaudhri, jefe del grupo de materiales de la Universidad de Cambridge, utilizaron fotografías de encuadre de alta velocidad para observar el proceso de rotura de gotas y concluyeron que, si bien la superficie Una de las gotas experimenta tensiones altamente compresivas, el interior experimenta altas fuerzas de tensión, creando un estado de equilibrio desigual que puede alterarse fácilmente rompiendo la cola. Sin embargo, esto dejó la cuestión de cómo se distribuyen las tensiones a lo largo de la caída de Prince Rupert.

En otro estudio publicado en 2017, el equipo colaboró con Hillar Aben, profesora de la Universidad Tecnológica de Tallin en Estonia, utilizando un polariscopio de transmisión para medir el retardo óptico de la luz de un LED rojo a medida que viajaba a través de la gota de vidrio. y utilizó los datos para construir la distribución de la tensión a lo largo de la caída. Esto demostró que las cabezas de las gotas tienen una tensión de compresión superficial mucho mayor de lo que se pensaba anteriormente, de hasta 700 megapascales (100.000 psi), pero que esta capa de compresión superficial también es delgada, solo alrededor del 10% del diámetro de la cabeza de una gota. Esto le da a la superficie una alta resistencia a la fractura, lo que significa que es necesario crear una grieta que entre en la zona de tensión interior para romper la gota. Como las grietas en la superficie tienden a crecer paralelas a la superficie, no pueden entrar en la zona de tensión, pero una perturbación en la cola permite que las grietas entren en la zona de tensión.

En las Notas y Registros de la Royal Society de Londres se ofrece un relato académico de la historia temprana de las gotas del Príncipe Rupert, donde se realizó gran parte de los primeros estudios científicos de las gotas. realizado.

Usos científicos

El proceso de producción de vidrio templado mediante templado probablemente se inspiró en el estudio de las gotas, ya que fue patentado en Inglaterra por el parisino Francois Barthelemy Alfred Royer de la Bastie, en 1874, apenas un año después que V. De Luynes. había publicado relatos de sus experimentos con ellos.

Se sabe desde al menos el siglo XIX que, bajo ciertas condiciones, se producen formaciones similares a las gotas del Príncipe Rupert en la lava volcánica. Más recientemente, investigadores de la Universidad de Bristol y la Universidad de Islandia han estudiado las partículas de vidrio producidas por la fragmentación explosiva de las gotas del Príncipe Rupert en el laboratorio para comprender mejor la fragmentación del magma y la formación de cenizas impulsadas por las tensiones térmicas almacenadas en los volcanes activos.

Referencias literarias

Debido a su uso como elemento de fiesta, las gotas del príncipe Rupert se hicieron ampliamente conocidas a finales del siglo XVII, mucho más que en la actualidad. Se puede ver que se esperaba que las personas educadas (o aquellos en la “sociedad”) estuvieran familiarizadas con ellos, por su uso en la literatura de la época. Samuel Butler los utilizó como metáfora en su poema Hudibras de 1663, y Pepys se refiere a ellos en su diario.

Las gotas quedaron inmortalizadas en un verso de la Balada del Gresham College anónima (1663):

Y lo que hace que su fama suene más fuerte,
Con mucha adoja derramaron el Rey
Para hacer que los botones de cristal se conviertan en polvo,
Si fuera de la[m] sus tayles que hacen, pero quebrar.
Cómo esto fue donado por soe pequeña Fuerza
Costó el discurso del Colledg un mes.

El cronista George Templeton Strong escribió (volumen 4, p. 122) sobre una peligrosa ruptura repentina del hielo que soportaban los peatones en el East River de la ciudad de Nueva York durante el invierno de 1867, que "El hielo brilló en fragmentos todos a la vez, como la gota de un príncipe Rupert."

La novela Supermale de Alfred Jarry de 1902 hace referencia a las gotas en una analogía con las gotas de vidrio fundido que caen de un dispositivo fallido destinado a pasar once mil voltios de electricidad a través del supermacho. ;s cuerpo.

Sigmund Freud, al analizar la disolución de los grupos militares en Psicología de grupo y análisis del yo (1921), señala el pánico que resulta de la pérdida del líder: "El grupo se desvanece en el polvo, como la gota del Príncipe Rupert cuando se le rompe la cola."

E. La novela de R. Eddison de 1935 Mistress of Mistresses hace referencia a las gotas de Rupert en el último capítulo cuando Fiorinda desencadena una serie completa de ellas.

En la novela policíaca de 1940 Llegaron la niebla y la nieve de Michael Innes (J. I. M. Stewart), un personaje se refiere incorrectamente a ellas como "Gotas de Verona"; El error lo corrige el detective Sir John Appleby hacia el final de la novela.

En su novela de 1943 Conjure Wife, Fritz Leiber utiliza las gotas Prince Rupert como metáfora de la volatilidad de varios personajes. alusiones personales. Estos profesores universitarios de una pequeña ciudad parecen ser plácidos e impermeables, pero "explotan" con su voz. con un simple "movimiento del filamento".

Peter Carey dedica un capítulo a las gotas en su novela de 1988 Oscar y Lucinda.

La suite que da título al tercer álbum de estudio de 1970 de la banda de rock progresivo King Crimson, Lizard, incluye ambas partes que hacen referencia a una versión ficticia de Prince Rupert, así como una sección ampliada llamada &# 34;La batalla de las lágrimas de cristal".