La chute de Prince Rupert.
(Phys.org) - Les chercheurs ont enfin répondu à une question qui a laissé perplexe les scientifiques depuis le début des années 1600 :pourquoi les têtes de morceaux de verre en forme de têtard appelés « gouttes de Prince Rupert » sont-elles si fortes ?
Dans le 17 e siècle, Le prince Rupert d'Allemagne a apporté certaines de ces gouttes de verre au roi d'Angleterre Charles II, qui était intrigué par leurs propriétés inhabituelles. Alors que la tête de la goutte est si forte qu'elle peut résister à l'impact d'un marteau, la queue est si fragile que la plier avec les doigts ne fera pas que casser la queue, mais provoquent la désintégration instantanée de la gouttelette entière en une fine poudre.
Les gouttes de Prince Rupert sont faciles à préparer en laissant tomber des gouttes rouges de verre fondu dans de l'eau. Bien que les chercheurs essaient de comprendre ce qui cause les propriétés inhabituelles de ces gouttes depuis de nombreuses années, ce n'est que récemment que la technologie moderne a permis aux chercheurs de les étudier en profondeur.
En 1994, S. Chandrasekar de l'Université Purdue et M. M. Chaudhri de l'Université de Cambridge ont utilisé la photographie de cadrage à grande vitesse pour observer le processus d'éclatement des gouttes. De leurs expériences, ils ont conclu que la surface de chaque goutte subit de fortes contraintes de compression, tandis que l'intérieur subit des forces de tension élevées. La goutte est donc dans un état d'équilibre instable, qui peut être facilement dérangé en cassant la queue.
Une question ouverte, cependant, est la façon dont les contraintes sont réparties dans toute la chute de Prince Rupert. Comprendre la répartition des contraintes aiderait à mieux expliquer pourquoi les têtes de ces gouttes sont si fortes.
Pour faire ça, Chandrasekar et Chaudhri ont commencé à collaborer avec Hillar Aben, professeur à l'Université de technologie de Tallinn en Estonie. Aben est spécialisé dans la détermination des contraintes résiduelles dans les objets tridimensionnels transparents, comme les gouttes de Prince Rupert.
Dans la nouvelle étude publiée dans Lettres de physique appliquée , Aben, Chandrasekar, Chaudhri, et leurs coauteurs ont étudié la distribution des contraintes dans les gouttes de Prince Rupert à l'aide d'un polariscope à transmission, qui est un type de microscope qui mesure la biréfringence dans un objet transparent axisymétrique, comme une goutte de Prince Rupert.
Dans leurs expériences, les chercheurs ont suspendu une goutte de Prince Rupert dans un liquide clair, puis illuminé la goutte avec une LED rouge. A l'aide du polariscope, les chercheurs ont mesuré le retard optique de la lumière lorsqu'elle traversait la goutte de verre, puis utilisé les données pour construire la distribution des contraintes tout au long de la chute.
Des franges tout au long d'une chute de Prince Rupert indiquent des contraintes résiduelles. Crédit :Aben et al. ©2017 Institut américain de physique
Les résultats ont montré que les têtes des gouttes ont une contrainte de compression de surface beaucoup plus élevée qu'on ne le pensait auparavant - jusqu'à 700 mégapascals, qui est près de 7, 000 fois la pression atmosphérique. Cette couche de compression superficielle est également mince, environ 10 % du diamètre de la tête d'une goutte.
Comme l'expliquent les chercheurs, ces valeurs confèrent aux têtes de gouttelettes une résistance à la rupture très élevée. Pour casser une goutte, il est nécessaire de créer une fissure qui pénètre dans la zone de tension intérieure de la goutte. Étant donné que les fissures sur la surface ont tendance à se développer parallèlement à la surface, ils ne peuvent pas entrer dans la zone de tension. Au lieu, le moyen le plus simple de casser une goutte est de déranger la queue, car une perturbation à cet endroit permet aux fissures d'entrer dans la zone de tension.
Globalement, les chercheurs pensent que les résultats expliquent enfin la grande force des gouttes de Prince Rupert.
"Le travail a pleinement expliqué pourquoi la tête d'une goutte est si forte, " Chaudhri a dit Phys.org . "Je pense que nous avons maintenant résolu la plupart des principaux aspects de ce domaine. Cependant, de nouvelles questions peuvent surgir de manière inattendue."
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