Σταγόνες του Πρίγκιπα Rupert

Οι Σταγόνες του Πρίγκιπα Rupert (επίσης γνωστές και ως ολλανδικά δάκρυα) είναι χάντρες από σκληρυμένο γυαλί, που δημιουργούνται όταν λιωμένο γυαλί στάζει μέσα σε κρύο νερό. Το κρύο νερό προκαλεί στο γυαλί στερεοποίηση σε μια σταγόνα με σχήμα σαν δάκρυ με μακριά και λεπτή ουρά. Οι πολύ υψηλές παραμένουσες τάσεις μέσα στη σταγόνα προκαλούν αντιδιαισθητικές ιδιότητες, όπως την ικανότητα να αντέχουν ένα χτύπημα από σφυρί ή μια σφαίρα στη βολβώδη άκρη χωρίς να σπάζουν, ενώ παρουσιάζουν εκρηκτική αποσύνθεση ακόμη και αν η άκρη στην ουρά είναι ελαφρώς κατεστραμμένη. Παρόμοιες δομές παράγονται επίσης υπό ορισμένες προϋποθέσεις σε ηφαιστειακή λάβα.
Οι σταγόνες πήραν το όνομά τους από τον Πρίγκιπα Ρούπερτ του Ρήνου, που τις έφερε στην Αγγλία το 1660, αν και λέγεται ότι για πρώτη φορά παράχθηκαν στην Ολλανδία πριν από τον 17ο αιώνα και ήταν γνωστές στους υαλουργούς για πολύ περισσότερο. Είχαν μελετηθεί ως επιστημονικές παραδοξότητες από τη Royal Society και η ανακάλυψη των ασυνήθιστων ιδιοτήτων τους πιθανότατα οδήγησε στην ανάπτυξη της διαδικασίας για την παραγωγή σκληρυμένου γυαλιού, κατοχυρωμένου με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας το 1874.

Περιγραφή

Οι σταγόνες παράγονται από λιωμένο γυαλί που στάζει μέσα σε κρύο νερό. Το νερό ψύχει γρήγορα και στερεοποιεί το γυαλί στο εξωτερικό της σταγόνας, ενώ ο εσωτερικός πυρήνας παραμένει λιωμένος. Όταν το γυαλί στο εσωτερικό τελικά ψύχεται συστέλλεται προς τα μέσα, προκαλώντας σημαντικές θλιπτικές τάσεις στην επιφάνεια της σταγόνας, ενώ ο πυρήνας στερεοποιείται σε μία κατάσταση εφελκυσμού. Το σχεδόν σφαιρικό σχήμα από της στρογγυλής κεφαλής δίνει μεγάλη αντοχή, τέτοια που να μπορεί να χτυπηθεί από ένα σφυρί ή μια σφαίρα χωρίς να σπάσει, ενώ το ημικυλινδρικό σχήμα της ουράς το καθιστά εύθραυστο. Όταν οποιοδήποτε τμήμα της ουράς καταστραφεί, απελευθερώνεται η μεγάλη ποσότητα δυναμικής ενέργειας που είναι αποθηκευμένη στην εσωτερική δομή. Προκαλείται διάδοση ρηγματώσεων μέσα στο γυαλί προς την κεφαλή σε πολύ υψηλές ταχύτητες, θρυμματίζοντας το σύνολο της δομής σε νιφάδες και σκόνη. (Το γυαλί δεν έχει κρυσταλλική δομή, αλλά είναι άμορφο στερεό).
Μια εξέταση από τα θραύσματα σε τέτοιες σταγόνες με τη χρήση βίντεο υψηλής ταχύτητας, αποκάλυψε ότι το "μέτωπο θραύσης" το οποίο ξεκινά στην ουρά διαδίδεται στην αποσυντιθέμενη σταγόνα μέσα στην εφελκυστική ζώνη προς την την κεφαλή σε μια πολύ υψηλή ταχύτητα (1.45 μέχρι 1.9 km/s [0.9–1.2 mi/s]).
Λόγω της διαφάνειας του γυαλιού, η εσωτερική πίεση μέσα σε αυτά τα αντικείμενα μπορεί να δειχθεί από την προβολή τους μέσα από πολωτικά φίλτρα, μια τεχνική που χρησιμοποιείται στη μελέτη της φωτοελαστικότητα.

Ιστορία

Μια ακαδημαϊκή περιγραφή της πρώιμης ιστορίας του των Σταγόνων δίνεται στις Σημειώσεις και τα Αρχεία της Royal Society του Λονδίνου. Οι περισσότερες από τις πρώτες επιστημονικές μελέτες των σταγόνων πραγματοποιήθηκε στη Royal Society.
Οι σταγόνες έχουν αναφερθεί αξιόπιστα να έχουν παραχθεί στο Mecklenburg στη Βόρεια Γερμανία, τουλάχιστον από το 1625. Ωστόσο, έχει υποστηριχθεί ότι έχουν εφευρεθεί στην Ολλανδία (αν και έχει προταθεί ότι είχαν γίνει γνωστές στους υαλουργούς από την εποχή της Ρωμαϊκής Αυτοκρατορίας), ως εκ τούτου, κοινά ονόματα για αυτούς κατά τον 17ο αιώνα ήταν lacrymae Borussicae (πρωσικά δάκρυα) ή lacrymae Batavicae (ολλανδικά δάκρυα). Το μυστικό του πώς να φτιαχτούν παρέμεινε στην περιοχή του Mecklenburg για κάποιο χρονικό διάστημα, αν και οι σταγόνες είχαν εξαπλωθεί σε όλη την Ευρώπη από εκεί, προς πώληση ως παιχνίδια ή θεάματα.
Ο Ολλανδός επιστήμονας Constantijn Huygens ζήτησε από την Margaret Cavendish, Δούκισσα του Newcastle να διερευνήσουν τις ιδιότητες των σταγόνων. Η γνώμη της μετά από την εκτέλεση πειραμάτων ήταν ότι μια μικρή ποσότητα πτητικού υγρού ήταν παγιδευμένη μέσα.
Είναι σαφές ότι ο Πρίγκιπας Ρούπερτ δεν ανακάλυψε τις σταγόνες, αλλά έπαιξε ρόλο στην ιστορία τους με το να είναι η πρώτος για να τις φέρει τους στη Βρετανία, το 1660. Τις έδωσε στον Βασιλιά Κάρολο Β', ο οποίος με τη σειρά του παρέδωσε το 1661 στη Royal Society (η οποία είχε δημιουργηθεί το προηγούμενο έτος) για επιστημονική μελέτη. Αρκετά πρώιμες δημοσιεύσεις από τη Royal Society δίνουν αναφορά των σταγόνων και να περιγράφουν τα πειράματα που εκτελούνται. Ανάμεσα σε αυτές τις εκδόσεις ήταν η Micrographia 1665 από τον Ρόμπερτ Χουκ, ο οποίος αργότερα θα ανακάλυπτε το Νόμο του Hooke. Η δημοσίευση του ορίζει σωστά τα περισσότερα από ό,τι μπορεί να ειπωθεί για τις Σταγόνες χωρίς μια πληρέστερη κατανόηση της ελαστικότητας (ο ίδιος ο Hooke αργότερα συνέβαλε) και της αστοχίας των εύθραυστων υλικών από τη διάδοση των ρωγμών. Μια πληρέστερη κατανόηση της διάδοσης ρωγμών έπρεπε να περιμένει μέχρι το έργο του Α. A. Griffith το 1920.

Επιστημονικές χρήσεις

Η διαδικασία για την παραγωγή γυαλιού με το "σβήσιμο", ήταν μάλλον εμπνευσμένη από τη μελέτη των σταγόνων, όπως ήταν κατοχυρωμένη με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας στην Αγγλία από τον Γάλλο Francois Barthelemy Alfred Royer de la Bastie, το 1874, μόλις ένα χρόνο αφού  ο V. de Luynes είχε δημοσιεύσει αναφορές των πειραμάτων του με αυτές.
Είναι γνωστό τουλάχιστον από το 19ο αιώνα ότι σχηματισμοί παρόμοιοι με τις Σταγόνες παράγονται υπό ορισμένες συνθήκες σε ηφαιστειακή λάβα. Πιο πρόσφατα, ερευνητές στο Πανεπιστήμιο του Μπρίστολ και το Πανεπιστήμιο της Ισλανδίας έχουν μελετήσει τα σωματίδια γυαλιού που παράγονται από τον εκρηκτικό κατακερματισμό των σταγόνων στο εργαστήριο, για να κατανοήσουν καλύτερα τον κατακερματισμό του μάγματος και τον σχηματισμό της τέφρας που προκαλείται από αποθηκευμένες θερμικές τάσεις σε ενεργά ηφαίστεια.