Giải Mã đặc Tính Kỳ Lạ Giọt Thủy Tinh "Nước Mắt Hoàng Tử RUPERT"

Với đoạn video đăng trên Youtube ngày 26/04 của Kỹ sư người Mỹ Destin Sandlin ghi lại hiện tượng hai đầu đạn bắn từ khẩu súng ngắn vỡ nát trước giọt thủy tinh “nước mắt Hà Lan” (Prince Rupert’s drop). Một viên đạn .22 Magnum (cỡ 5,58mm) và một viên .38 Special (cỡ 9,65mm) từ khoảng cách gần để thử độ bền của miếng thủy tinh hình giọt nước đặc biệt này. Vậy do đâu giọt thủy tinh nhỏ bé lại có thể chịu được lực tác đông lớn như vậy?

“Nước mắt Hà Lan” là dạng thủy tinh gia cường, được chế tạo bằng cách nhỏ thủy tinh nóng chảy vào nước cực lạnh. Kết quả sẽ là các hạt thủy tinh có hình giọt nước và đuôi dài như nòng nọc. Khi gặp nước lạnh đột ngột, phần thủy tinh bên ngoài nhanh chóng cứng lại, trong khi phần nhân bên trong vẫn còn nóng chảy.

Theo thời gian, phần lỏng bên trong cũng nguội dần, hình thành nên dạng thủy tinh cường lực, có độ cứng và khả năng chịu áp lực rất cao.

Ứng suất cực lớn được tích tụ bên trong khối thủy tinh, khiến nó mang những đặc tính rất kỳ lạ. Vì thế, Prince Rupert vẫn là một sự tò mò khoa học trong gần 400 năm do hai tính chất cơ học bất thường – khi đuôi bị cắt, giọt phân hủy thành bột, trong khi phần đầu có thể chịu lực nén lên đến 15.000 newton (3.400 lbf)

Đặc tính bất thường thứ nhất

Sự nổ tan rã phá sinh do có nhiều sự nứt phân nhánh khi đuôi bị cắt. Năm 1994, Srinivasan Chandrasekar, một giáo sư kỹ thuật tại Đại học Purdue, và Munawar Chaudhri, trưởng nhóm vật liệu tại Đại học Cambridge, đã sử dụng nhiếp ảnh khung tốc độ cao để quan sát quá trình đổ vỡ và kết luận rằng. Trong khi bề mặt của giọt chịu được áp lực nén cao thì bên trong chịu được lực căng cao, tạo ra trạng thái cân bằng không ổn định có thể dễ dàng chịu tác động khi bẻ gãy phần đuôi.

Giọt thủy tinh nhỏ cứng đầu, giọt thủy tinh cứng hơn thép này được phát hiện lần đầu tiên vào thế kỷ 17 tại Hà Lan.

Đặc tính bất thường thứ hai

Đặc tính bất thường thứ hai của giọt, là độ bền của đầu. Trong một nghiên cứu khác được công bố vào năm 2017, nhóm nghiên cứu đã cộng tác với Hillar Aben, một giáo sư tại Đại học Công nghệ Tallinn ở Estonia bằng cách sử dụng kính viễn vọng truyền để đo độ trễ quang học của ánh sáng từ đèn LED màu đỏ khi nó đi qua giọt kính và sử dụng dữ liệu để xây dựng sự phân bố ứng suất trong suốt quá trình thả. Điều này cho thấy phần đầu của giọt có áp lực nén bề mặt cao hơn nhiều so với trước đây họ đã nghĩ tới 700 megapascals (100.000 psi) trong khi nhưng lớp nén bề mặt này cũng mỏng, chỉ khoảng 10% đường kính của đầu rơi vãi. Điều này tạo cho bề mặt của giọt thuy tinh chịu được áp lực lớn.

Có thể thấy, Prince Rupert’s Drop đã trở thành một bí ẩn trong hàng dài thể kỷ. Tuy nhiên, với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, đặc tính kỳ lạ của giọt thủy tinh này đã được khám phả và giải đáp được thắc mắc của những người hiếu kỳ về nó.