A queda do Príncipe Rupert - Prince Rupert's drop

Quedas do príncipe Rupert

As gotas do príncipe Rupert (também conhecidas como lágrimas holandesas ou batavianas ) são contas de vidro temperado criadas pelo gotejamento de vidro derretido em água fria, que o faz solidificar em uma gota em forma de girino com uma cauda longa e fina. Essas gotículas são caracterizadas internamente por tensões residuais muito altas , que dão origem a propriedades contra-intuitivas, como a capacidade de resistir a um golpe de um martelo ou uma bala na extremidade bulbosa sem quebrar, enquanto exibem desintegração explosiva se a extremidade da cauda for mesmo ligeiramente danificado. Na natureza, estruturas semelhantes são produzidas sob certas condições na lava vulcânica e são conhecidas como lágrimas de Pele .

As gotas receberam o nome do Príncipe Rupert do Reno , que as trouxe para a Inglaterra em 1660, embora elas estivessem sendo produzidas na Holanda no início do século 17 e provavelmente fossem conhecidas dos fabricantes de vidro há muito mais tempo. Foram estudados como curiosidades científicas pela Royal Society e o desvendamento dos princípios de suas propriedades inusitadas provavelmente levou ao desenvolvimento do processo de produção de vidro temperado, patenteado em 1874. Pesquisas realizadas nos séculos XX e XXI vão além luz sobre as razões para as propriedades contraditórias das gotas.

Descrição

Uma figura que descreve a queda do Príncipe Rupert, de Account of the Glass Drops (1661), de Sir Robert Moray .

As gotas do Príncipe Rupert são produzidas por gotas de vidro derretido na água fria. A água esfria rapidamente e solidifica o vidro de fora para dentro. Esta extinção térmica pode ser descrita usando um modelo simplificado de uma esfera resfriada rapidamente. As gotas do Príncipe Rupert permaneceram uma curiosidade científica por quase 400 anos devido a duas propriedades mecânicas incomuns: quando a cauda é cortada, a gota se desintegra explosivamente em pó, enquanto a cabeça bulbosa pode suportar forças compressivas de até 15.000 newtons (3.400 lbf).

A desintegração explosiva surge devido a vários eventos de bifurcação de trinca quando a cauda é cortada - uma única trinca é acelerada no campo de tensão residual de tração no centro da cauda e bifurca após atingir uma velocidade crítica de 1.450-1.900 metros por segundo (3.200 –4.300 mph). Dadas essas altas velocidades, o processo de desintegração devido à bifurcação da trinca só pode ser inferido olhando para a cauda e empregando técnicas de imagem de alta velocidade. Talvez seja por isso que essa curiosa propriedade das gotas permaneceu sem explicação por séculos.

A segunda propriedade incomum das gotas, a saber, a resistência das cabeças, é uma consequência direta de grandes tensões residuais compressivas - de até 700 megapascais (100.000 psi) - que existem nas proximidades da superfície externa da cabeça. Esta distribuição de tensão é medida usando a propriedade natural do vidro de birrefringência induzida por tensão e empregando técnicas de fotoelasticidade 3D . A alta tenacidade à fratura devido às tensões compressivas residuais torna as gotas de Prince Rupert um dos primeiros exemplos de vidro temperado.

História

Representação de gotas de vidro de Robert Hooke 's Micrographia (1665)

Foi sugerido que os métodos para fazer as gotas eram conhecidos pelos fabricantes de vidro desde os tempos do Império Romano .

Às vezes atribuídas ao inventor holandês Cornelis Drebbel , as gotas eram frequentemente chamadas de lacrymae Borussicae (lágrimas prussianas) ou lacrymae Batavicae (lágrimas holandesas) em relatos contemporâneos.

Relatos verificáveis ​​das gotas de Mecklenburg, no norte da Alemanha, aparecem já em 1625. O segredo de como fazê-las permaneceu na área de Mecklenburg por algum tempo, embora as gotas se disseminassem por toda a Europa a partir de lá, para venda como brinquedos ou curiosidades.

O cientista holandês Constantijn Huygens pediu a Margaret Cavendish, Duquesa de Newcastle, que investigasse as propriedades das gotas; sua opinião após a realização de experimentos era que uma pequena quantidade de líquido volátil estava presa dentro.

Embora o príncipe Rupert não tenha descoberto as gotas, ele desempenhou um papel em sua história, trazendo-as para a Grã-Bretanha em 1660. Ele as deu ao rei Carlos II , que por sua vez as entregou em 1661 à Royal Society (que havia sido criada na anterior ano) para estudo científico. Várias publicações anteriores da Royal Society fornecem relatos sobre as quedas e descrevem experimentos realizados. Entre essas publicações estava Micrographia de 1665 por Robert Hooke , que mais tarde descobriria a Lei de Hooke . Sua publicação expôs corretamente a maior parte do que pode ser dito sobre as gotas do Príncipe Rupert sem uma compreensão mais completa do que existia na época, da elasticidade (para a qual o próprio Hooke mais tarde contribuiu) e da falha de materiais quebradiços pela propagação de rachaduras. Uma compreensão mais completa da propagação do crack teve que esperar até o trabalho de AA Griffith em 1920.

Chandrasekar explicando a física das gotas do Príncipe Rupert

Em 1994, Srinivasan Chandrasekar, professor de engenharia da Purdue University , e Munawar Chaudhri, chefe do grupo de materiais da University of Cambridge , usaram fotografia de enquadramento de alta velocidade para observar o processo de quebra de gotas e concluíram que, enquanto a superfície das gotas sofre tensões altamente compressivas, o interior experimenta forças de alta tensão, criando um estado de equilíbrio desigual que pode ser facilmente perturbado pela quebra da cauda. No entanto, isso deixou a questão de como as tensões são distribuídas ao longo de uma queda do Príncipe Rupert.

Em outro estudo publicado em 2017, a equipe colaborou com Hillar Aben, um professor da Universidade de Tecnologia de Tallinn, na Estônia, usando um polariscópio de transmissão para medir o retardo óptico da luz de um LED vermelho conforme ele viajava através da gota de vidro, e usou o dados para construir a distribuição de tensões ao longo da queda. Isso mostrou que as cabeças das gotas têm uma tensão compressiva superficial muito maior do que se pensava anteriormente em até 700 megapascais (100.000 psi), mas que essa camada compressiva superficial também é fina, apenas cerca de 10% do diâmetro da cabeça de um derrubar. Isso confere à superfície uma alta resistência à fratura, o que significa que é necessário criar uma rachadura que entre na zona de tensão interna para quebrar a gota. Como as rachaduras na superfície tendem a crescer paralelamente à superfície, elas não podem entrar na zona de tensão, mas uma perturbação na cauda permite que as rachaduras entrem na zona de tensão.

Um relato acadêmico do início da história das gotas do Príncipe Rupert é fornecido nas Notas e Registros da Royal Society de Londres, onde muito do estudo científico inicial das gotas foi realizado.

Usos científicos

O processo de produção de vidro temperado por têmpera foi provavelmente inspirado no estudo das gotas, pois foi patenteado na Inglaterra pelo parisiense François Barthelemy Alfred Royer de la Bastie, em 1874, apenas um ano após V. De Luynes ter publicado os relatos de seus experimentos com eles.

É sabido, pelo menos desde o século 19, que formações semelhantes às gotas do Príncipe Rupert são produzidas sob certas condições na lava vulcânica . Mais recentemente, pesquisadores da Universidade de Bristol e da Universidade da Islândia estudaram as partículas de vidro produzidas pela fragmentação explosiva das gotas do Príncipe Rupert em laboratório para entender melhor a fragmentação do magma e a formação de cinzas impulsionadas por tensões térmicas armazenadas em vulcões ativos.

Referências literárias

Por causa de seu uso como uma peça de festa, as gotas do Príncipe Rupert se tornaram amplamente conhecidas no final do século 17 - muito mais do que hoje. Pode-se ver que se esperava que as pessoas educadas (ou aqueles na "sociedade") estivessem familiarizados com eles, a partir de seu uso na literatura da época. Samuel Butler usou-os como metáfora em seu poema Hudibras em 1663, e Pepys se refere a eles em seu diário.

As gotas foram imortalizadas em um verso da anônima Ballad of Gresham College (1663):

E aquilo que faz sua Fama soar mais alto,
Com muito barulho eles mostraram ao Rei
Para fazer Glasse Botões virar pó,
Se fora do [m] seu joio você doe apenas torcer.
Como isso foi feito por uma pequena Força
custou ao Colledg um discurso de um mês.

O diarista George Templeton Strong escreveu (volume 4, p. 122) sobre uma quebra repentina e perigosa de gelo para pedestres no East River de Nova York durante o inverno de 1867 que "O gelo se transformou em fragmentos de uma vez como uma queda do Príncipe Rupert . "

O romance Supermale de Alfred Jarry , de 1902, faz referência às gotas em uma analogia para as gotas de vidro derretido caindo de um dispositivo defeituoso que pretendia passar onze mil volts de eletricidade pelo corpo do supermale.

Sigmund Freud , discutindo a dissolução dos grupos militares em Psicologia de Grupo e a Análise do Ego (1921), observa o pânico que resulta da perda do líder: “O grupo se desvanece na poeira, como a queda de um Príncipe Rupert quando sua cauda está quebrado."

O romance de 1935 de ER Eddison , Mistress of Mistresses, faz referência às quedas de Rupert no último capítulo, quando Fiorinda lança um conjunto completo deles.

No romance policial de 1940, There Came Both Mist and Snow, de Michael Innes ( JIM Stewart ), um personagem refere-se incorretamente a eles como "Verona cai"; o erro é corrigido no final do romance pelo detetive Sir John Appleby .

Em seu romance de 1943, Conjure Wife , Fritz Leiber usa as gotas de Prince Rupert como uma metáfora para a volatilidade das personalidades de vários personagens. Esses professores universitários de uma pequena cidade parecem ser plácidos e impermeáveis, mas "explodem" com um mero "movimento do filamento".

Peter Carey dedica um capítulo às gotas em seu romance de 1988, Oscar e Lucinda .

A suíte que deu o título ao terceiro álbum de estúdio de 1970 da banda de rock progressivo King Crimson , Lizard, inclui ambas as partes que se referem a uma versão ficcional de Prince Rupert, bem como uma seção estendida chamada "The Battle of Glass Tears".

Veja também

Leitura adicional

  • Albergotti, Clifton (1989). "As quedas do Príncipe Rupert na literatura". O professor de física . 27 (7): 530–2. Bibcode : 1989PhTea..27..530A . doi : 10.1119 / 1.2342858 .
  • Sir Robert Moray (1661). " Uma conta das gotas de vidro ", Royal Society ( transcrita , referência de arquivo ).

links externos

Referências

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  19. ^ Pepys, S .: "The Diary" (ed. Robert Latham & William Matthews), vol. III (Berkeley e Los Angeles, University of California Press, 1970-76), 13 de janeiro de 1662, p. 9
  20. ^ Stimson, Dorothy (julho de 1932). "Balada de Gresham Colledge". Isis . 18 (1): 103–17. doi : 10.1086 / 346689 . JSTOR  224481 . S2CID  143882964 .