Sinds de 17e eeuw hebben de druppels van Prins Rupert wetenschappers in verwarring gebracht. De druppels worden gemaakt door een kraal gesmolten natronkalk of vuursteenglas in koud water te dompelen, dat een kikkervormig stuk glas vormt. Hoewel de kop van de druppel ongelooflijk sterk is en alles kan weerstaan, van een hamerslag tot snel bewegende kogels, kan alleen al door de staart van het kristal te tikken het hele ding in poeder barsten. Zoals David Szondy van New Atlas meldt, hebben onderzoekers eindelijk de geheimen achter deze druppels ontdekt.
In 1994 gebruikten onderzoekers high-speed fotografie om de druppels vast te leggen en te analyseren, meldt Lisa Zyga voor Phys.org. Ze concludeerden dat het oppervlak van de druppel een hoge drukspanning heeft terwijl het inwendige van de druppels onder hoge spanning staat. Hoewel die combinatie het hoofd erg sterk maakt, is het niet in evenwicht, wat betekent dat zelfs een kleine verstoring aan de staart ervoor zorgt dat het hele ding destabiliseert en uit elkaar valt. In feite bewegen de scheuren met 4.000 mijl per uur, wat het glas verpulvert.
Maar pas bij recente technologische ontwikkelingen konden onderzoekers de verdeling van de stress in detail onderzoeken. Ze gebruikten een soort microscoop die bekend staat als een transmissiepolariscoop om de spanningen in het glas te bestuderen. Door rood LED-licht door de druppel te sturen terwijl deze in een heldere vloeistof was ondergedompeld, konden ze meten hoe spanningen in de druppel het licht vertraagden. Het totale effect is een regenboogkleurige optische kaart van de krachten binnen de druppel. Met behulp van wiskundige modellen berekenden onderzoekers vervolgens de verschillende interne en externe krachten. Ze hebben hun resultaten vorig jaar gedetailleerd beschreven in het tijdschrift Applied Physics Letters.
De spanningen tijdens de Prince Rupert's Drop (Aben et al./American Institute of Physics) De drukspanning rond de kop van de druppel werd berekend tussen 29 tot 50 ton per vierkante inch, waardoor het glas zo sterk is als sommige soorten staal. Maar die sterkte bestaat alleen in een dunne laag die slechts tien procent van de diameter van de kop is.
Om een druppel te breken, moet een scheur door die laag komen en de interne spanningszone bereiken. Maar de buitenste laag is zo sterk dat de meeste scheuren gewoon een spinnenweb langs het oppervlak vormen. De staart is echter een ander verhaal. Deze dunne sliert glas kan gemakkelijk worden gebroken en biedt een directe link naar die gevoelige interne spanningszone. Dus als het breekt, valt de rest van het glas uiteen.
De vorming van de zones van sterkte en zwakte heeft te maken met hoe de druppels worden gevormd. "Het oppervlak van de druppels koelt sneller dan het interieur, waardoor een combinatie van drukspanningen op het oppervlak ontstaat en trek- of trekspanningen in het inwendige van de druppels worden gecompenseerd", aldus het persbericht.
"De trekspanning veroorzaakt materiaal meestal te breken, analoog aan het scheuren van een vel papier in tweeën, " zegt Koushik Viswanathan van Purdue University, een auteur van het papier, in het persbericht. "Maar als je de trekspanning zou kunnen veranderen in een drukspanning, dan wordt het moeilijk voor scheuren om te groeien, en dit is wat er gebeurt in het hoofdgedeelte van de druppels van de Prins Rupert."
Onderzoekers hebben zich ongeveer 400 jaar lang over deze druppels afgevraagd. Ze zijn vernoemd naar Prins Rupert van Duitsland, die vijf van de vreemde druppels gaf aan Charles II in Engeland. Sindsdien hebben wetenschappers geprobeerd uit te zoeken wat de druppels zo sterk maakt. Mensen hebben alles geprobeerd om deze gekke glazen kikkervisjes te breken, van het schieten op de druppels tot het pletten in hydraulische persen. Maar deze experimenten zijn opmerkelijk voor meer dan alleen het plezier van proberen de structuren te vernietigen (hoewel het best leuk is om te zien).
Zoals Andrew Liszewski bij Gizmodo meldt, kan leren over de druppels leiden tot nieuwe soorten onbreekbaar glas en, belangrijker nog, onkraakbare schermen van mobiele telefoons.
