Kropla księcia Ruperta powstała w XVII wieku. Dopiero niedawno poznaliśmy jej tajemnicę

W tym artykule:

1. Skąd wzięły się krople księcia Ruperta?
2. Jak powstają krople księcia Ruperta?
3. Skąd biorą się niezwykłe właściwości kropli księcia Ruperta?
4. Jak rozbić kroplę księcia Ruperta?

Nawet dzieci wiedzą, że szkło jest kruchym materiałem, który łatwo uszkodzić. Okazuje się jednak, że szklana kropla może wytrzymać nawet bardzo silne uderzenie młotkiem. Wystarczy jednak trącić jej najsłabszy punkt, by w jednej chwili zamieniła się w obłok szklanych odłamków. Magia? Nie, to tylko fizyka.

Skąd wzięły się krople księcia Ruperta?

Odpowiedź na powyższe pytanie jest zawarta w nazwie tych tworów. Szklane krople o niezwykłej wytrzymałości wynalazł książę Rupert Reński, żyjący w XVII wieku angielski arystokrata, polityk i oficer pochodzenia niemieckiego.

Siostrzeniec króla Karola I zapisał się w historii sukcesami podczas oblężenia Rheinberg i Bredy, a później także jako dowódca rojalistów w angielskiej wojnie domowej. W tym miejscu wypada jednak wspomnieć, że nie był wyłącznie utalentowanym oficerem z pasją do wojaczki, ale także wynalazcą amatorem.

Co wynalazł Rupert Reński?

Istnieje teza, że to właśnie on opracował technikę druku wklęsłego, nazywaną mezzotintą. Rupertowi Reńskiemu przypisuje się też wynalezienie książęcego metalu, czyli prochu strzelniczego zawierającego 75 proc. miedzi i 25 proc. cynku, którego kolor przypomina barwę szczerego złota.

Skąd się wzięło dziwne szkło na pustyni w Afryce? Naszyjnik z nim znajdował się w grobowcu Tutanchamona

Ta zagadka czeka na rozwiązanie od stulecia. Na pustyni w północnej Afryce od wieków zbierane są kawałki materiału, wyglądającego jak żółte szkło. Co to jest? Grupa naukowców jest zda...

Na pewno wynalazł nazwane na jego cześć szklane krople o wyjątkowej wytrzymałości. Reński miał je pewnego dnia pokazać królowi Karolowi II. Podobno monarcha zachwycił się ich niezwykłymi właściwościami.

Jak powstają krople księcia Ruperta?

Proces produkcji kropel księcia Ruperta jest naprawdę nieskomplikowany. Wszystko, co trzeba zrobić, to upuścić kroplę roztopionego szkła do pojemnika wypełnionego zimną wodą. W tym prostym procesie powstaje szklany twór mający formę wzorcowej kropli – dużą sferę i zwężający się ogon.

Nie ma tu żadnej „magii” ani skomplikowanych procesów. A mimo to w główkę kropli można z całej siły uderzyć młotkiem i nic się nie stanie. Z drugiej strony, wystarczy złamać delikatny ogonek, jedyny słaby punkt szklanego tworu, a cała kropla... nie, nie pęknie, a dosłownie eksploduje. Jak to możliwe?

Skąd biorą się niezwykłe właściwości kropli księcia Ruperta?

Mimo że książę Reński opracował swoją kroplę w latach 1640–1650, to zagadkę jej niebywałej wytrzymałości połączonej z wyjątkową kruchością udało się rozszyfrować dopiero w 1994 roku. Dokonali tego naukowcy z Purdue University i University of Cambridge – S. Chandersekar i M. M. Chaundhri. Badacze wykorzystali nowoczesną technologię w celu określenia rozkładu naprężeń w kropli. W rozwiązaniu zagadki pomagał im prof. Hillar Aben z Tallinn University of Technology, specjalista badający naprężenia w trójwymiarowych transparentnych obiektach.

Upuszczona do zimnej wody kropla roztopionego szkła błyskawicznie zmienia stan skupienia i staje się ciałem stałym. Podlega silnemu ściskaniu w części zewnętrznej, ale wolniej tężejące wnętrze poddawane jest nieustannemu naprężeniu rozciągającemu. W rezultacie dochodzi do zatrzymania dużej ilości energii potencjalnej w kropli.

Do jakich wniosków doszli naukowcy?

Dokładne badania wykazały, że główka kropli podlega działaniu znacznie większych sił, niż wcześniej sądzono. Naukowcy stwierdzili, że ciśnienie dochodzi w niej do 700 megapaskali. Ta wartość jest ok. 7000 razy większa od przeciętnej wartości ciśnienia atmosferycznego. Tak ogromna siła oddziałuje na warstwę stanowiącą ok. 10 proc. średnicy kropli. W rezultacie powierzchnia sfery staje się niebywale odporna na uderzenia.

Jak rozbić kroplę księcia Ruperta?

Szklana kropla nie jest niezniszczalna. Uderzenia twardym narzędziem nie przynoszą jednak rezultatu. Dlaczego tak się dzieje? Pęknięcia powierzchniowe rozchodzą się horyzontalnie i nie docierają do wewnętrznej warstwy. To sprawia, że kropla zachowuje swoją formę i pozostaje cała nawet po silnym uderzeniu. Nie da się jednak rozbić kropli księcia Ruperta bez wywołania pęknięć w warstwie wewnętrznej, w której działają naprężenia rozciągające. Jak to zrobić? Wystarczy uszkodzić ogonek.

Pęknięcia, które w trakcie łamania powstają w tej strukturze, docierają do warstwy wewnętrznej sfery, która następnie ulega dezintegracji. W tym miejscu pojawia się jednak jeszcze jedno pytanie: dlaczego szkło nie rozsypuje się, a eksploduje? Cóż, to zasługa prędkości, z jaką rozprzestrzenia się pęknięcie.

Nagrania wykonane przy użyciu niezwykle szybkich kamer wykazały, że uszkodzenie przemieszcza się w kropli z prędkością dochodzącą do, uwaga, siedmiu tysięcy kilometrów na godzinę! 7000 km/godz., czyli prawie 2000 m/s. Właśnie to sprawia, że szklana kropla, której nie udało się zniszczyć przy użyciu brutalnej siły, w jednej chwili zamienia się w chmurę szklanego pyłu.

Nasz ekspert

Artur Białek

Dziennikarz i redaktor. Wcześniej związany z redakcjami regionalnymi, technologicznymi i motoryzacyjnymi. W „National Geographic” pisze przede wszystkim o historii, kosmosie i przyrodzie, ale nie boi się żadnego tematu. Uwielbia podróżować, zwłaszcza rowerem na dystansach ultra. Zamiast wygodnego łóżka w hotelu, wybiera tarp i hamak. Prywatnie miłośnik literatury.