Resolvido o mistério com 400 anos das gotas do Príncipe Rupert

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As gotas do Príncipe Rupert da Alemanha

As gotas do Príncipe Rupert da Alemanha

Os investigadores finalmente conseguiram responder à pergunta que tem intrigado cientistas desde o início de 1600: porque é que as cabeças das chamadas “gotas do príncipe Rupert” são tão fortes?

No século XVII, o Príncipe Rupert da Alemanha trouxe algumas destas gotas de vidro em forma de girino ao Rei Carlos II de Inglaterra, que também estava bastante intrigado com as suas propriedades incomuns. A cabeça da gota é tão forte que pode suportar o impacto de um martelo, no entanto, a cauda é tão frágil que, ao dobrá-la com os dedos, não só esta se quebra como toda a gota se torna instantaneamente num pó fino.

As gotas de Rupert podem ser feitas muito facilmente: basta deixar cair gotas quentes de vidro fundido na água. Embora os investigadores tenham tentado entender o que causa as propriedades incomuns dessas gotas, apenas recentemente, com recurso a tecnologia moderna, é que conseguiram investigá-las de uma forma mais completa.

Em 1994, Srinivasan Chandrasekar, da Universidade de Purdue, nos EUA, e M. Munawar Chaudhri, da Universidade de Cambridge, no Reino Unido, usaram fotografia de alta velocidade para observar o processo de estilhaçamento. Com as suas experiências, concluíram que a superfície de cada gota experimenta tensões altamente compressivas, enquanto que o interior experimenta forças de alta tensão. Assim, a gota está num estado de equilíbrio instável, que pode ser facilmente perturbado pela quebra da cauda.

Distribuição da tensão

Porém, uma questão que ficou em aberto é como é que esta tensão é distribuída ao longo de uma gota. Entender isso ajudaria a explicar de forma mais abrangente porque é que as cabeças dessas gotas são tão fortes.

Para fazer isso, Chandrasekar e Chaudhri começaram a colaborar com Hillar Aben, professor da Universidade de Tecnologia de Tallinn, na Estónia. Aben é especialista na determinação de tensões residuais em objetos tridimensionais transparentes.

No novo estudo, publicado na Applied Physics Letters, os três investigadores analisaram a distribuição de tensão nas gotas utilizando um polariscópio de transmissão. Este aparelho é um tipo de microscópio que mede a birrefringência num objeto transparente axi-simétrico, tal como a gota do príncipe Rupert.

Nas várias experiências, os cientistas suspenderam a gota num líquido claro e, de seguida, iluminaram-na com um LED vermelho. Usando o polariscópio, mediram o atraso óptico da luz à medida que percorria a gota de vidro e, depois, utilizaram os dados para traçar a distribuição da tensão ao longo de toda a gota.

Resultados surpreendentes

Os resultados mostraram que as cabeças das gotas têm uma tensão compressiva de superfície muito maior do que se pensava anteriormente – até 700 megapascals, que é quase sete mil vezes a pressão atmosférica. Esta camada compressiva de superfície também é fina, compondo cerca de 10% do diâmetro da cabeça de uma gota.

Tal como os investigadores explicam, esses valores dão às cabeças das gotas uma força de fratura muito alta. Para quebrá-las, é necessário criar uma rachadura que entra na zona de tensão interior da gota. Como as fissuras na superfície tendem a crescer paralelas à superfície, não conseguem entrar na zona de tensão. Em vez disso, a maneira mais fácil de quebrar uma gota é interferir na cauda, já que uma perturbação neste local permite que fissuras entrem na zona de tensão.

No geral, os cientistas acreditam que estes resultados finalmente explicam a grande resistência das gotas de Rupert. “Este trabalho explicou completamente porque é que a cabeça de uma gota é tão forte”, garantiu Chaudhri ao Phys.org. “Acredito que agora resolvemos a maioria dos principais aspetos desta área, no entanto, novas questões podem surgir inesperadamente”, acrescentou.

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