قطره شاهزاده روپرت

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
پرش به ناوبری پرش به جستجو
قطره‌های پرنس روپرت

قطرات شاهزاده روپرت (که به اشک هلندی یا باتویا نیز معروف هستند)[۱][۲] دانه‌های شیشه ای سخت شده‌ای هستند که با چکیدن شیشه مذاب در آب سرد ایجاد می‌شوند و همین امر باعث می‌شود تا این قطره به شکل یک بچه قورباغه با دمی بلند و نازک درآیند. این قطرات کوچک به دلیل تنش‌های پسماند شکل می‌گیرند که باعث ایجاد خواصی غیر شهودی مانند توانایی تحمل ضربات از چکش یا گلوله در انتهای قسمت پیازی بدون شکستن آن می‌شوند. این ویژگی باعث ظاهر شدن تجزیهٔ انفجاری می‌شود حتی اگر دم کمی آسیب دیده باشد. در طبیعت ساختارهای مشابه تحت شرایط خاصی در گدازه‌های آتشفشانی تولید می‌شوند و به اشک‌های پله(pele's tears) معروف هستند.

این قطره‌ها به نام پرنس روپرت(Prince Rupert of the Rhine) نام گذاری شده‌است، که آنها را در سال ۱۶۶۰ به انگلیس آورد، اگرچه طبق گزارش‌ها این قطرات در اوایل قرن هفدهم در هلند تولید می‌شدند و احتمالاً از مدت‌ها قبل برای شیشه سازان شناخته شده بودند. این ساختارها به عنوان پدیده علمی جدیدی توسط انجمن سلطنتی مورد مطالعه قرار گرفتند و پرده برداری از خواص غیرمعمول آنها احتمالاً منجر به پیشرفت فرایند تولید شیشه نشکن شد که در سال ۱۸۷۴ ثبت اختراع شد. تحقیقات انجام شده در قرن‌های بیستم و بیست و یکم، دلایل خواص متناقض قطره‌ها را روشن کرد.

توضیحات[ویرایش]

تصویری که قطره پرنس روپرت را نشان می‌دهد، از Account of Drops Glass (قطره‌های شیشه ای) (۱۶۶۱) توسط سر رابرت موری.

قطره‌های پرنس روپرت با ریختن قطره‌های شیشه مذاب در آب سرد ایجاد می‌شوند. آب به سرعت قطره‌ها را خنک می‌کند و شیشه را از خارج به داخل جامد و سخت می‌کند. این فرونشانی حرارتی می‌تواند با استفاده از یک مدل کروی ساده که به سرعت خنک می‌شود توصیف شود.[۳] قطره‌های پرنس روپرت به دلیل داشتن دو ویژگی مکانیکی غیرعادی نزدیک به ۴۰۰ سال در یک ابهام علمی باقی ماندند؛[۴] وقتی دم آسیب می‌بیند، قطره به صورت انفجاری به شکل پودر تجزیه می‌شود، در حالی که سر پیازی شکل می‌تواند در مقابل نیروهای فشاری تا حداکثر ۱۵٬۰۰۰ نیوتن (۳٬۴۰۰ پوند-نیرو) مقاومت کند.[۲]

تجزیه انفجاری به دلیل وقوع شکاف‌هایی رخ می‌دهد که در هنگام قطع دم به وجود می‌آیند - یک ترک در میدان تنش پسماند کششی در مرکز دم تسریع می‌شود و پس از رسیدن به یک سرعت بحرانی معادل ۱٬۴۵۰–۱٬۹۰۰ متر بر ثانیه (۳٬۲۰۰–۴٬۳۰۰ مایل بر ساعت)[۵][۶] با توجه به این سرعت‌های بالا، فرایند تجزیه ناشی از ایجاد انشعاب (دوشاخگی) در شکاف را تنها با مشاهده کردن دم با استفاده از تکنیک‌های تصویربرداری با سرعت بالا نتیجه گرفت. شاید به همین خاطر است که این خاصیت کم‌نظیر قطره‌ها برای قرن‌ها غیرقابل توضیح باقی مانده‌است.[۷]

دومین ویژگی غیرمعمول قطره‌ها، یعنی قدرت سرها، ناشی از تنش‌های پسماند فشاری - تا ۷۰۰ مگاپاسکال (۱۰۰٬۰۰۰ پوند بر اینچ مربع) - است که در مجاورت سطح بیرونی سر وجود دارد.[۲] این توزیع تنش با استفاده از خاصیت طبیعی دوشکستی شیشه و با استفاده از تکنیک‌های نورپردازی سه بعدی اندازه‌گیری می‌شود. مقاومت بالا در برابر شکستگی که در اثر تنش‌های پسماند فشاری باعث می‌شود تا قطره‌های پرنس روپرت به عنوان یکی از اولین نمونه‌های شیشه نشکن شناخته شده باشد.

تاریخچه[ویرایش]

نمایش قطره‌های شیشه ای از کتاب میکروگرافیا(Microgeraphia) رابرت هوک (۱۶۶۵)

یک گزارش علمی دربارهٔ تاریخ اولیه قطره‌های شاهزاده روپرت در یادداشت‌ها و سوابق انجمن سلطنتی لندن آورده شده‌است. عمده مطالعات علمی اولیه در مورد قطره‌های پرنس روپرت در انجمن سلطنتی انجام شدند.[۸]

گفته می‌شود که قطره‌ها در اوایل سال ۱۶۲۵ در مکلنبورگ (Mecklenburg) در آلمان شمالی ساخته می‌شده‌اند.[۹] با این وجود، ادعا می‌شود که آنها در هلند اختراع شده‌اند (اگرچه گفته می‌شود که از زمان امپراطوری روم شیشه سازان در مورد این موضوع اطلاعات داشته‌اند)،[۸] از این رو در قرن هفدهم نامهای رایجی از جمله lacrymae Borussicae (اشک پروس) یا acrymae Batavicae (اشک هلندی) برای آنها وجود داشت.[۱۰] راز چگونگی ساختن آنها برای مدتی در منطقه مکلنبورگ باقی ماند، گرچه قطره‌ها برای فروش به عنوان اسباب بازی یا سرگرمی یا کنجکاوی از آنجا در اروپا پخش می‌شدند.

دانشمند هلندی، کنستانجین هویگنز(Constantijn Huygens) از مارگارت کاوندیش(Margaret Cavendi)، دوشس نیوکاسل (Duchess of Newcastle) خواست تا خواص قطره‌ها را بررسی کند. نظر او پس از انجام آزمایش‌هایی این بود که مقدار کمی از مایع فرار در داخل آن حبس است.[۱۱]

اگرچه شاهزاده روپرت قطره‌ها را کشف نکرد، اما با آوردن آنها به انگلستان در سال ۱۶۶۰، در تاریخ آنها نقش بزرگی را ایفا کرد. او آنها را به پادشاه چارلز دوم داد، او نیز قطره‌ها را به منظور مطالعه علمی در سال ۱۶۶۱ به انجمن سلطنتی (که در سال‌های گذشته ایجاد شده بود) اهدا کرد. تعدادی از نخستین انتشارات انجمن سلطنتی قطره‌ها را توصیف کرده و آزمایش‌های انجام شده را شرح می‌دهند[۱۲] از جمله این انتشارات میکروگرافی (Micrographi) در سال ۱۶۶۵ توسط رابرت هوک(Robert Hook) بود که بعداً قانون هوک کشف کرد.[۴] انتشارات او بدون داشتن اطلاعاتی بیش تر از علم آن دوران مثلاً بدون استفاده از خاصیت ارتجاعی (که بعداً خود هوک در آن نقش داشت) و نیز مکانیک شکست قطره‌های پرنس روپرت را به درستی شرح داد. علم مکانیک شکست توسط AA Griffith در سال ۱۹۲۰ کامل تر شد.[۱۳]

Chandrasekar در حال توضیح فیزیک قطره شاهزاده روپرت

در سال ۱۹۹۴، Srinivasan Chandrasekar، استاد دانشگاه پردو(Purdue university)، و Munawar Chudhri، رئیس گروه مواد در دانشگاه کمبریج(university of Cambridge)، از عکاسی با سرعت بالا برای دیدن فرایند خرد شدن قطره‌ها استفاده کردند و نتیجه گرفتند که وقتی سطح قطرات تنش فشار بالایی را تحمل می‌کنند درون آنها نیز تنش کششی بالایی به وجود می‌آید و حالت تعادلی ناپایداری را ایجاد می‌کند که با شکستن دم به راحتی می‌توان آن را برهم زد. با این حال، جای این سؤال باقی می‌ماند که چگونه تنش‌ها در سر تاسر قطره توزیع می‌شوند.

در یک مطالعه عمیق‌تری که در سال ۲۰۱۷ منتشر شد، این تیم با هیلار آبن(Hillar Aben)، استاد دانشگاه صنعتی تالین(Tallinn University of Technology)همکاری کردند و با استفاده از یک قطبش سنج میزان تأخیر نور قرمز رنگ یک LED را پس از عبور از قطره شیشه ای اندازه‌گیری کرده و ازداده‌های به دست آمده از آن برای ایجاد توزیع تنش در قطره استفاده کردند. این نشان می‌دهد که سر قطره‌ها تنش فشاری سطح بسیار بالاتری از آنچه قبلاً تصور می‌شد۷۰۰ مگاپاسکال (۱۰۰٬۰۰۰ پوند بر اینچ مربع) را می‌توانند تحمل کنند، اما این لایه فشاری سطحی بسیار نازک است، و تنها در حدود ۱۰٪ قطر سر یک قطره می‌باشد. این موضوع مقاومت شکست بالایی به سر می‌دهد، و این به این معنیست که برای این که قطره بشکند باید ترکی ایجاد کنیم که وارد منطقه تنش درونی شود. از آنجا که ترک‌های سطحی به موازات سطح رشد می‌کنند، نمی‌توانند وارد منطقه تنش شوند اما اختلالی در دم اجازه می‌دهد تا ترک‌ها وارد ناحیه تنش شوند.[۱۴]

کاربردهای علمی[ویرایش]

روند تولید شیشه‌های نشکن با روش فرونشانی(quenching) احتمالاً از مطالعه قطره‌ها الهام گرفته شده‌است، که در پارلمان Francois Barthelemy Alfred Royer de la Bastie، در سال ۱۸۷۴، تنها یک سال پس از آن که V. De Luynes آزمایش‌های خود را بر روی آنها منشر کرد، در انگلستان ثبت اختراع شد.[۸]

حداقل از قرن ۱۹ به این پی برده شد که سازه‌هایی مشابه قطره‌های پرنس روپرت در شرایط خاصی در گدازه‌های آتشفشانی تولید می‌شوند.[۱۵] اخیراً محققان دانشگاه بریستول(University of Bristol) و دانشگاه ایسلند(University of Iceland) ذرات شیشه تولید شده توسط شکست انفجاری قطرات پرنس روپرت را در آزمایشگاه مطالعه و بررسی کرده‌اند تا درک بهتری از تکه‌تکه شدن ماگما و تشکیل خاکستر ناشی از تنش‌های حرارتی ذخیره شده در آتشفشان‌های فعال داشته باشند.[۱۶]

منابع کتابخانه[ویرایش]

برای مطالعهٔ بیشتر[ویرایش]

  • Albergotti, Clifton (1989). "Prince Rupert's drops in literature". The Physics Teacher. 27 (7): 530–2. Bibcode:1989PhTea..27..530A. doi:10.1119/1.2342858.
  • سر رابرت موری (1661). " یک حساب از قطره‌های شیشه ایانجمن سلطنتی (رونویسی ، مرجع بایگانی).

جستارهای وابسته[ویرایش]

منابع[ویرایش]

  1. Guillemin, Amédée (1873). The Forces of Nature: A Popular Introduction to the Study of Physical Phenomena. MacMillan & Co. p. 435. Archived from the original on 2013-12-13.
  2. ۲٫۰ ۲٫۱ ۲٫۲ Aben, H.; Anton, J.; Õis, M.; Viswanathan, K.; Chandrasekar, S.; Chaudhri, M. M. (2016). "On the extraordinary strength of Prince Rupert's drops". Appl. Phys. Lett. 109 (23): 231903. doi:10.1063/1.4971339.
  3. Narayanaswamy, O. S.; Gardon, Robert (1998). "Tempering glass spheres and related topics". Glass Science and Technology. 71: 120–128. Archived from the original on 2017-07-28.
  4. ۴٫۰ ۴٫۱ Robert Hooke, Micrographia or Some Physiological Descriptions of Minute Bodies made by Magnifying Glasses with Observation and Inquiries thereupon (London, 1665), "Observation vii. of some Phaenomena of Glass Drops," بایگانی‌شده در ۲۰۱۶-۱۱-۰۷ توسط Wayback Machine pp. 33–44.
  5. Chandrasekar, S; Chaudhri, M. M. (1994). "The explosive disintegration of Prince Rupert's drops". Philosophical Magazine B. 70 (6): 1195–1218. doi:10.1080/01418639408240284.
  6. Chaudhri, M. M. (1998). "Crack bifurcation in disintegrating Prince Rupert's drops". Philosophical Magazine Letters. 78 (2): 153–158. Bibcode:1998PMagL..78..153C. doi:10.1080/095008398178147.
  7. Davis, Edward Arthur (1999). Science In The Making. Great Britain: Taylor & Francis. pp. 1994 B70. ISBN 0 7484 07677.
  8. ۸٫۰ ۸٫۱ ۸٫۲ Brodsley, Laurel; Frank, Charles; Steeds, John W. (October 1986). "Prince Rupert's Drops". Notes and Records of the Royal Society of London. 41 (1): 1–26. doi:10.1098/rsnr.1986.0001. JSTOR 531493.
  9. Beckmann, Johann; Francis, William; Griffith, J. W. (1846). "Prince Rupert's Drops – Lacrymae Vitreae". A History of Inventions, Discoveries, and Origins, Volume II (4th ed.). pp. 241–245. Archived from the original on 2017-01-02.
  10. Claud, Nic. le Cat (1756). "The Lacrymae Batavicae, or glass-drops, the tempering of steel, and effervescence, accounted for by the same principle". Philosophical Transactions. Royal Society. 10 (2): 560–566. Archived from the original on 2017-01-02.
  11. Akkerman, Nadine; Corporaal, Marguérite (19 May 2004). "Mad Science Beyond Flattery: The Correspondence of Margaret Cavendish and Constantijn Huygens". Early Modern Literary Studies. Archived from the original on 2004. Retrieved 13 July 2019.
  12. See also: Neri, Antonio with Christopher Merret, trans. , The art of glass wherein are shown the wayes to make and colour glass, pastes, enamels, lakes, and other curiosities / written in Italian by Antonio Neri ; and translated into English, with some observations on the author ; whereunto is added an account of the glass drops made by the Royal Society, meeting at Gresham College (London, England: Printed by A.W. for Octavian Pulleyn, 1662), An Account of the Glass Drops, pp. 353–362.
  13. Griffith, A. A. (1921). "The Phenomena of Rupture and Flow in Solids". Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series A, Containing Papers of a Mathematical or Physical Character. 221 (582–593): 163–98. Bibcode:1921RSPTA.221..163G. doi:10.1098/rsta.1921.0006. JSTOR 91192.
  14. Zyga, Lisa (9 May 2017). "Scientists solve 400-year-old mystery of Prince Rupert's drops". phys.org. Science X network. Archived from the original on 16 May 2017. Retrieved 16 May 2017.
  15. Goodrich, Joseph (1829). "Real and supposed effect of igneous action". The American Journal of Science and Arts. 16: 349. Archived from the original on 3 November 2017. Retrieved 27 September 2014.
  16. Cashman, Katharine; Nicholson, Emma; Rust, Alison; Gislason, Sigurdur (2010-08-05). "Breaking magma: Controls on magma fragmentation and ash formation" (PDF). Archived from the original (PDF) on 6 October 2014. Retrieved 27 September 2014.