اشک هلندی؛ قطره شیشه رازآلود و نشکنی که می‌تواند یک نیروی ۲۰ تنی یا ۷۰۰۰ برابر فشار لاستیک خودرو و شلیک گلوله را تحمل کند!

راز بقا: کمتر پدیده‌ای در دنیای علم به اندازه‌ی اشک‌های پرنس روپرت (که با نام‌های اشک‌های هلندی (Dutch tears) یا اشک‌های باتاوین (Batavian tears) نیز شناخته می‌شوند) شگفت‌انگیز و رازآلود است. این قطره‌های اشکی‌شکل از شیشه، با چکاندن شیشه‌ی مذاب در آب سرد ساخته می‌شوند و قرن‌هاست ذهن دانشمندان و مردم عادی را به خود مشغول کرده‌اند. 

به گزارش راز بقا، ویژگی خارق‌العاده‌ی آنها در تضاد عجیب میان شکنندگی و استحکام نهفته است آنها می‌توانند ضربه‌ی چکش را بر بخش کروی خود تاب بیاورند، اما اگر دم باریک‌شان اندکی آسیب ببیند، فوراً به پودر شیشه تبدیل می‌شوند. داستان این اشک‌های عجیب، روایتی از فیزیک پنهان طبیعت، کنجکاوی دانشمندان اولیه و پیشرفت علم در دوران مدرن است. 

اختراعی کنجکاو از قرن هفدهم

به گزارش راز بقا، اشک‌های پرنس روپرت یا همان اشک هلندی نخستین بار در اروپا و در قرن هفدهم پدیدار شدند و به سرعت به اشیایی شگفت‌انگیز درباری تبدیل گشتند. بر اساس منابع تاریخی، پرنس روپرت از راین، خواهرزاده‌ی شاه چارلز اول انگلستان، این قطرات را در حدود سال ۱۶۶۰ به دربار سلطنتی معرفی کرد. 

ویژگی‌های عجیب این قطرات چنان پادشاه را شگفت‌زده کرد که دستور داد انجمن سلطنتی انگلستان آنها را مورد بررسی علمی قرار دهد که از نخستین پژوهش‌های ثبت‌شده‌ی علمی درباره‌ی یک پدیده‌ی فیزیکی به شمار می‌رود.

روش ساخت این قطره‌ها بسیار ساده به نظر می‌رسد: شیشه‌ی مذاب در آب سرد چکانده می‌شود. سطح بیرونی بلافاصله سرد و جامد می‌شود، در حالی که بخش درونی برای لحظاتی داغ و مذاب باقی می‌ماند. سپس با سرد شدن تدریجی مرکز، انقباضی شدید درون قطره ایجاد می‌شود که فشار فشاری عظیمی را بر سطح و فشار کششی شدیدی را در درون آن پدید می‌آورد. راز قدرت و شکنندگی این اشک‌ها دقیقاً در همین تنش‌های درونی نهفته است.

فیزیک پارادوکس شیشه‌ای

به گزارش راز بقا، عجیب‌ترین ویژگی اشک‌های پرنس روپرت، ترکیب متضاد استحکام و شکنندگی در آنهاست. بخش کروی و ضخیم می‌تواند ضربات سنگین چکش یا حتی گلوله را بدون ترک‌خوردن تحمل کند، اما دم باریک، اگر اندکی بشکند، تمام قطره در کسری از ثانیه منفجر می‌شود.

برای مطالعه بیشتر بخوانید:

جادکوماندوی سه لبه؛ خطرناک‌ترین و مدرن‌ترین چاقوی دنیا با سه لبه تیز که صدای باز شدن آن اعتیادآور و قیمت آن بیش از ۲۰۰ میلیون تومان است

دانشمندان با استفاده از دوربین‌های پرسرعت و فناوری‌های تصویربرداری پیشرفته راز این پدیده را آشکار کرده‌اند. لایه‌ی بیرونی قطره تحت فشار فشاری فوق‌العاده‌ای قرار دارد - گاهی بیش از ۷۰۰ مگاپاسکال - در حالی که بخش درونی در حالت کشش است و تمایل به گسترش دارد. 

وقتی دم شکسته می‌شود، این تنش آزاد شده و واکنشی زنجیره‌ای در سراسر قطره به وجود می‌آورد که سریع‌تر از سرعت صوت در شیشه پخش می‌شود و کل ساختار را به ذرات ریز شیشه‌ای تبدیل می‌کند.

بخش کروی یا «سر» اشک پرنس روپرت می‌تواند نیرویی تا حدود ۱۵ تا ۲۰ تن را پیش از شکستن تحمل کند. از نظر فنی، نیروی فشاری سطح آن می‌تواند به ۷۰۰ مگاپاسکال (MPa) برسد و در برخی انواع شیشه حتی تا ۱ گیگاپاسکال (GPa) نیز اندازه‌گیری شده است.

برای درک بهتر این مقدار می‌توان گفت ۷۰۰ مگاپاسکال یعنی حدود ۷۰۰۰ برابر فشار یک لاستیک خودرو و این میزان مقاومت تقریباً برابر با استحکام فولاد سخت‌شده است. یک قطره‌ی سالم می‌تواند ضربه‌ی چکش یا حتی برخورد گلوله‌های کم‌قدرت را بدون ترک‌خوردن تحمل کند. 

این توزیع خاص تنش، اشک‌های پرنس روپرت را به نمونه‌ای اولیه از درک مدرن ما از مواد مقاوم تبدیل کرده است همان اصلی که بعد‌ها در تولید شیشه‌های مقاوم خودرو و صفحات نمایش تلفن همراه مورد استفاده قرار گرفت. 

میراثی ماندگار در علم و فناوری

به گزارش راز بقا، هرچند اشک‌های پرنس روپرت در آغاز صرفاً نوعی کنجکاوی علمی بودند، اما بررسی آنها پایه‌ای برای درک پدیده‌های تنش و شکست در مواد فراهم کرد. پژوهش‌های اولیه‌ی انجمن سلطنتی در قرن هفدهم، هرچند ابتدایی بود، الهام‌بخش قرن‌ها تحقیق در زمینه‌ی استحکام و رفتار مواد شد.

در دوران معاصر، دانشمندان با ابزارهایی، چون میکروسکوپ نوری پلاریزه و مدل‌سازی اجزای محدود، توانسته‌اند نقشه‌ی دقیق تنش‌های داخلی درون این قطرات را ترسیم کنند. مطالعات بر روی این ساختار‌ها حتی به توسعه‌ی فناوری‌های شیشه‌ی مقاوم منجر شد همان فرآیندی که باعث می‌شود شیشه‌ی جلوی خودرو هنگام شکست به قطعات بی‌خطر تبدیل شود و صفحه‌نمایش تلفن هوشمند در برابر ترک خوردن مقاوم‌تر گردد.

با وجود کاربرد‌های علمی، این قطرات هنوز هم ابزاری جذاب برای آموزش فیزیک هستند. نمایش‌های انفجار ناگهانی آنها یکی از محبوب‌ترین بخش‌های آزمایش‌های نمایشی و ویدیو‌های علمی در اینترنت است. 

عجیب‌ترین واقعیت‌های اشک‌های پرنس روپرت یا همان اشک هلندی

به گزارش راز بقا، اشک‌های پرنس روپرت یا همان اشک هلندی مملو از شگفتی‌هایی فراتر از استحکام و شکنندگی‌شان هستند. برای نمونه، تنش‌های درونی آنها آن‌قدر شدید است که هنگام شکستن دم، انفجاری کوچک همراه با نور کم‌سو ایجاد می‌شود؛ پدیده‌ای که نورشکنی مکانیکی یا تریبولومینسانس نام دارد. در فیلم‌های اسلوموشن، می‌توان دید که موج تخریب با سرعتی بیش از سرعت صوت در شیشه حرکت می‌کند. 

جالب اینکه این قطرات در واقع قدیمی‌ترین نمونه‌ی شناخته‌شده از «شیشه‌ی مقاوم حرارتی» هستند، قرن‌ها پیش از اختراع روش‌های صنعتی شیشه‌ی نشکن. با اینکه نام آنها از پرنس روپرت گرفته شده، او خود مخترع‌شان نبود، بلکه این قطرات را از شیشه‌گران هلندی به انگلستان آورد به همین دلیل آنها را اشک‌های هلندی یا باتاوین نیز می‌نامند.

نکته‌ی شگفت‌انگیز دیگر این است که هیچ دو قطره‌ای دقیقاً شبیه هم نیستند. کوچک‌ترین تغییر در ترکیب شیشه، دمای آب یا اندازه‌ی قطره می‌تواند تفاوت زیادی در مقاومت یا شدت انفجار ایجاد کند. برخی می‌توانند ضربه‌ی چکش را تاب بیاورند، در حالی که برخی دیگر به‌سادگی از هم می‌پاشند؛ و شاید عجیب‌ترین واقعیت این باشد که دانشمندان محاسبه کرده‌اند تنش درونی این قطره‌ها، اگر به طور یکنواخت آزاد شود، می‌تواند نیرویی معادل بلند کردن یک خودرو تولید کند یادآور این حقیقت که نیرو‌های عظیم گاهی در دل شکننده‌ترین چیز‌ها پنهان‌اند.