400 yıl sonra başardık.
Prens Rupert damlası olarak bilinen nesneler camdan yapılmış olabilir, ancak bu durumun sizi kandırmasına izin vermeyin; bu sevimli, gözyaşı damlası şeklindeki ucuz süs eşyaları, epey çetin hırpalamalara karşı direnebiliyorlar. En azından, kuyruklarını kibar bir şekilde kırana kadar.
Yeni araştırma, damlaların inanılmaz güç ve kırılganlıktan oluşan tuhaf dengesine tam anlamıyla ışık tutarak, bu durumun inanılmaz gerilim altında duran ince bir cam kaplamasından ibaret olduğunu ortaya çıkardı.
ABD ve İngiltere’deki bilim insanlarının önderlik ettiği bir araştırmacı takımı, sert bir dış kabuğun ve çatlaklardan oluşan kanalların, kırılgan olduğu kadar çetin de olan ikilemsel bir nesneye nasıl yol açtığını göstermek amacıyla cam damlaların iç özelliklerini ölçmek için kutuplaşmış bir ışın kullandılar.
Prens Rupert damlalarını yapmak nispeten kolay bir şey; bunlar, soğuk suya damlatılan ve uzun, ince bir kuyruk kuyruk ile sert bir su damlası şekli oluşturan erimiş camlar.
Uçtaki şişkin bölgeye çekiçle vurmak, 20 tona kadar kuvvetlerle baskı yapmak ve hatta bir silahla ateş etmek, ona pek hasar vermeyecektir.
Ancak onu kırmak için, sadece kuyruğuna hafifçe vurmanız gerekiyor. Bu durum, bütün nesnenin parçalara ayrılarak tuzla buz olmasına neden olacaktır.
Damlanın kökenleri hakkında herhangi bir kayıt bulunmuyor, ancak söylentiye göre 1660 yılı civarında Ren Prensi Rupert, İngiltere Kralı 2. Charles’a hediye olarak bir miktar ‘cam ıvır zıvırı’ vermiş ve o da bunları, kendi kendilerine birkaç çalışma yapmaları için Londra Kraliyet Derneği’ne aktarmış.
Damlanın dikkat çekici özellikleri, camın dış yüzeyinin hızlı bir şekilde soğuyup, iç kısımların biraz daha yavaş soğumasına ve sonra daralmasına olanak sağlayan sert bir kabuk oluşturmasına dayanıyor.
Cismin sertliğini ve kırılgan kuyruğunu açıklayan şeyin, katmanlardaki bu farklılık olduğu düşünülüyordu (dış katmanın ‘sıkışması’ [veya basınç kuvvetleri] ve iç kısmın ‘çekmesi’ [veya gerilme kuvvetleri]).
Laboratuvardaki yeni oyuncaklar, zamanla fizikçilerin Prens Rupert damlasını test etmek için yeni yöntemler bulmasına olanak sağladı ve 1994 yılında Purdue Üniversitesi’nden Srinivasan Chandrasekar ve İngiltere’deki Cambridge Üniversitesi’nden M. Munawar Chaudhri isimli malzeme bilimciler, yüksek hızlı bir kamera ve cam bir nesneye sahip olan herhangi birimizin yapacağı şeyi yaptılar; onu parçalanırken izlediler.
Yaptıkları araştırma, geleneksel açıklamaya daha fazla detay ekledi; kuyruğu kırmak, damlanın uzunluğu boyunca saatte 1.900 metrelik hızlarda inen bir çatlak hattı gönderiyor ve çatlak önü, yüzey katmanına girince yavaşlıyor gibi görünüyordu.
Ayrıca yüzey katmanının sertliğini ve boyutunu ölçerek, bunun deneylerindeki damlanın yüzde 15’ine kadar genişlediğini ve 90 ila 170 MPa’lık (yaklaşık 13.000 ila 25.000 psi) basınçlı bir gerginliğe sahip olduğunu buldular.
Araştırmacılar bu son deneyde, damlayı bir dizi farklı teste tabi tuttular ve önceki tahminlerini yeniden hesaplayarak, bu süreçte Prens Rupert damlasının sırrının, sıradışı kabuğunun sahip olduğu sertlikten daha fazlasında yattığını keşfettiler.
Bilim insanları bu sefer, cam ile aynı kırılma indisine sahip olan bir damlayı bir sıvıya batırdılar.
Sıvının ve damlanın içinden kutuplaşmış bir kırmızı ışın parıldatarak, ışık ışınlarının cam içinde hafifçe sapmasını sağladılar ve camın özellikleri hakkında çok daha fazla detayı ortaya çıkardılar.
İşlem, baş kısımda yaklaşık 525 MPa (76.000 psi) ve kuyrukta 700 MPa’lık (102.000 psi) kocaman bir miktar olmak üzere, cam damlanın yüzeyinde çok daha fazla basınçlı gerginliklerin olduğunu gösterdi.
Ayrıca yüzey katmanının, damlanın baş kısmının çapının yaklaşık yüzde 10’u kadar olduğuna karar verdiler.
Cam damlanın ince dış katmanındaki bu yüksek basınçlı gerilim, böylesi muazzam kuvvetlere karşı neden direnebildiklerini bir parça açıklıyor, ancak bulmacanın bir parçası daha var.
Takım, geçmişteki deneylerine ve kutuplaşmış ışık kullanarak yaptıkları incelemeye dayalı olarak, yüzey katmanında oluşan herhangi bir çatlağın, iç kısma paralel şekilde gitmeye yatkınlık gösterdiğini buldu.
Araştırmacılar raporlarında şöyle açıklıyor: “Bir PRD’nin (Prens Rupert damlası) feci boyutta parçalanması için, sıkıştırma işleminin teşvik ettiği herhangi bir çatlağın, PRD’nin baş kısmındaki gerilim bölgesine girmesi zorunludur.”
Bu yüzden onları kuyruklarının uç kısmında kırmak çok kolay. Bir çatlak, sıkıştırılmış kabuk üzerinden gerilim altında duran bölgeye ulaştığı zaman, oyun bitti demektir.
Keşke yaklaşık 400 yıl önce Kraliyet Derneği’nin meraklı bilim insanlarının yanında böylesi havalı araç gereçler olsaydı da, Prens Rupert Damlasının ardındaki sırları çok daha erken ortaya çıkarmış olabilselerdi.
Chaudhri, Phys.org’tan Lise Zyga’ya şöyle söylüyor: “Artık bu alanın temel kısımlarının çoğunu çözmüş olduğumuza inanıyorum. Ancak, yeni sorular beklenmedik bir şekilde ortaya çıkabilir.”
Öyle olmasını umalım; gelecekteki bilim insanları da birkaç ucuz cam kırmak için bir bahane kullanabilsin.
Bu araştırma Applied Physics Letters bülteninde yayınlandı.
ScienceAlert
