Cục thủy tinh nòng nọc đạn bắn không vỡ, tay bóp nổ tung: Giới khoa học 'bí' cả 4 thế kỷ

Giọt nước mắt của Hoàng tử Rubert. Ảnh: Phys.org

Giọt nước mắt của Hoàng tử Rupert (còn được gọi là "nước mắt Hà Lan") có thể giải thích một cách đơn giản là cục thủy tinh cường lực, được tạo ra bằng cách thổi nóng thủy tinh rồi để thủy tinh nóng chảy rơi vào nước lạnh, khiến nó đông cứng thành một giọt có hình nòng nọc - đầu to và đuôi dài, mảnh.

Đặc điểm thú vị và cũng đầy bí ẩn của nó là phần đầu có khả năng chống chịu cực tốt, thậm chí có thể chống lại một cú đánh từ búa, hoặc một viên đạn bắn ở cự ly gần, trong khi đó thì phần đuôi lại vô cùng dễ vỡ, chỉ cần bóp nhẹ là toàn bộ cục thủy tinh sẽ vỡ vụn.

Chính sự đối nghịch này đã làm các nhà khoa học "đau đầu" suốt gần 4 thế kỷ.

GIỚI KHOA HỌC "ĐAU ĐẦU" SUỐT 4 THẾ KỶ

Các nhà sử học cho rằng giọt nước thủy tinh này đã xuất hiện từ thời gian đầu Công nguyên, khi Đế chế La Mã vẫn đang khẳng định vị thế tối cao của mình đối với châu Âu, Bắc Phi và Cận Đông. Tuy nhiên, vào thế kỷ 17 - chính xác hơn là vào năm 1625, sự tồn tại của nó mới lần đầu tiên được chứng thực, trong các xưởng thủy tinh ở Mecklenburg, Đức.

Ở Pháp, người ta còn đặt cho nó biệt danh là Giọt nước mắt Batavian (theo tên của xưởng đóng tàu Batavia trên bờ Vịnh Zuidersee, Hà Lan), có thể kể từ khi Đại sứ Pierre Chanut mang về một số mẫu vật từ Hà Lan vào năm 1649. Nhưng chỉ khi Hoàng tử Rupert của sông Rhine vào năm 1660 dâng những viên thủy tinh này lên làm quà cho vua Charles II ở Anh thì những viên thủy tinh này mới khiến chúng được nhiều người biết đến và chú ý. Thậm chí, chúng đã được nhắc đến trong nhiều tác phẩm văn học và nhật ký dưới cái tên Giọt nước mắt của Hoàng tử Rupert.

Hình minh họa một giọt nước của Hoàng tử Rupert trong cuốn Account of the Glass Drops (1661), của Sir Robert Moray, Hiệp hội Hoàng gia Anh. Ảnh: futura-sciences.com

Năm viên Giọt nước mắt của Hoàng tử Rupert sau đó đã được giao cho Hiệp hội hoàng gia Anh nghiên cứu. Tất cả những gì có được sau những cuộc nghiên cứu chỉ là ghi nhận về nghịch lý của viên thủy tinh: Phần đầu siêu cứng, búa hay kìm tác động lên không gây vấn đề gì, nhưng phần đuôi lại dễ dàng bị bóp vỡ; chỉ cần tác động vào phần mỏng manh này thì cả vật thể cũng sẽ “bốc hơi” trong tích tắc thành triệu mảnh vụn.

Hình vẽ minh họa những giọt nước mắt Batavian và cấu trúc bên trong của chúng trong Micrographia (tạm dịch: Hình ảnh vi thể), cuốn sách khoa học do Robert Hooke viết và minh họa. Ảnh: Thư viện Quốc gia Wales

Các nhà khoa học đã cố tìm lời giải cho câu đố về sự đối nghịch của Giọt nước mắt của Hoàng tử Rupert qua nhiều thế kỷ, trong số đó đặc biệt phải kể đến nhà khoa học đại tài người Anh - Robert Hooke. Ông đã vô cùng hứng thú với bí ẩn này và đã tiến hành nhiều thí nghiệm để tìm hiểu gốc rễ của hiện tượng.

Ông đã từng viết tới 9 trang sách để mô tả những quan sát của ông về viên thủy tinh này, trong đó đây là một đoạn trích rất ngắn gọn, cung cấp một cái nhìn sâu sắc hấp dẫn về phương pháp tiếp cận khoa học rất tiên tiến của ông: "Tôi đã bẻ gãy thử một số mẫu trong điều kiện thường bằng cách tác động lực lên phần đuôi bằng tay, những người khác thì thử bằng kìm. Chẳng mấy chốc, viên thủy tinh đã nổ tung thành những mảnh vụn nhỏ như hạt bụi và phân tán ra vô số hướng với một lực cực mạnh, âm thanh cực lớn; thậm chí một số mảnh vụn còn xuyên qua da của tôi".

Trong số các thí nghiệm do ông Robert Hooke thực hiện, một thí nghiệm đã phủ keo lên và bọc trong một lớp da cá trong suốt, mục đích là để quan sát xem điều gì sẽ xảy ra khi các mảnh đó không thể bay đi. Chính nhờ những ghi nhận đầu tiên này của Hooke đã cho thấy những vấn đề quan trọng đằng sau hiện tượng vật lý kỳ thú này:

LỜI GIẢI CỦA BÀI TOÁN HÓC BÚA

Chỉ đến khi khoa học phát triển hơn, với sự hỗ trợ của máy móc hiện đại, các nhà khoa học mới có cơ sở để phân tích chi tiết hơn giọt thủy tinh đặc biệt này. Thật vậy, vào năm 1920, kỹ sư cơ khí Alan Arnold Griffith đã công bố công trình của mình về trường ứng suất đàn hồi, sự đứt gãy giòn và sự mỏi của kim loại. Bài báo này đã xác nhận các giả thuyết của Hooke về sự lan truyền các vết nứt bên trong vật liệu giòn, nhưng vẫn cần phải đợi đến đầu thế kỷ 21 để hiện tượng này hoàn toàn sáng tỏ.

Năm 1994, Srinivasan Chandrasekar, một giáo sư kỹ thuật tại Đại học Purdue, và nhóm của ông đã ghi lại cảnh tượng Giọt nước mắt của Hoàng tử Rubert vỡ vụn bằng máy quay tốc độ cao với tốc độ lên tới 1.000.000 khung hình/giây (1.000.000 fps).

Srinivasan Chandrasekar và các đồng nghiệp của mình ghi lại được khoảnh khắc vỡ vụn của Giọt nước mắt của Hoàng tử Rupert với độ chi tiết chưa từng có trước đó. Ảnh: Srinivasan Chandrasekar và cộng sự, Đại học Purdue

Nhóm các nhà khoa học đã kết luận rằng bề mặt những giọt thủy tinh này chịu lực nén vô cùng cao, trong khi bên trong chịu lực kéo lớn. Ứng suất nén khiến vật liệu bị ép chặt trong khi ứng suất kéo kéo giãn vật liệu. Khi hai lực này đối chiều nhau khiến cấu trúc vật liệu co cụm và có khả năng phân tán lực và do đó chịu được áp lực cao. Do đó, một tác động dù lớn ở bên ngoài cũng không thể phá vỡ cấu trúc, nhưng chỉ 1 vết rạn nứt từ bên trong cũng sẽ khiến chúng bị phân rã, giải phóng các ứng suất dư và phá hủy vật liệu.

Tuy nhiên, nhóm của tiến sĩ Chandrasekar vẫn chưa rõ áp lực phân phối xuyên suốt giọt thủy tinh như thế nào khiến cấu trúc tưởng chừng không thể bị phá vỡ này của chúng không ổn định và dễ dàng bị tác động khi bẻ gãy phần đuôi.

Phải đến tận năm 2016 khi cộng tác với tiến sĩ Hillar Aben, giảng viên tại Đại học Công nghệ Tallinn tại Estonia và là người chuyên xác định áp lực còn lại bên trong những vật thể ba chiều trong suốt, nhờ sự trợ giúp của máy đo phân cực (một thiết bị chuyên dụng có thể đo phân bố áp lực trên một mẫu vật bằng cách đo độ trễ quang học ở các vị trí), nhóm nghiên cứu đã tiến gần hơn tới lời giải cho bí ẩn về Giọt nước mắt của Hoàng tử Rubert.

Việc phân tích cấu trúc của giọt nước mắt hoàng tử Rupert nhờ ánh sáng phân cực cuối cùng đã có thể vén bức màn bí ẩn 4 thế kỷ qua. Ảnh: Srinivasan Chandrasekar và cộng sự, Đại học Purdue

Trong thí nghiệm, các nhà nghiên cứu treo giọt thủy tinh trong một chất lỏng trong suốt, sau đó chiếu đèn LED xuyên qua vật liệu. Ứng suất bên trong vật liệu làm thay đổi sự phân cực của ánh sáng đi qua, kết quả chính xác sẽ được ghi lại trên máy nghiệm phân cực; từ các dữ liệu đó, nhóm nghiên cứu sẽ thiết lập mô hình phân bổ áp lực xuyên suốt vật thể.

Họ nhận thấy đầu giọt thủy tinh có độ cứng trước lực nén bề mặt cao hơn nhiều so với suy đoán trước đây, có thể chịu áp suất lên tới hơn 50 tấn mỗi inch vuông.

Giọt thủy tinh sẽ chỉ bị phá vỡ khi gặp vết nứt chạy tới khu vực chịu lực kéo bên trong, hay nói cách khác bị tác động vào phần lõi bên trong. Nhưng do các vết nứt thường sinh ra theo hướng song song với bề mặt, chúng không thể kéo dài tới khu vực này.

Bởi vậy, cách dễ dàng nhất để phá vỡ giọt thủy tinh là bẻ gãy đuôi của nó, liên kết chặt chẽ trong cấu trúc sẽ giúp tạo ra vết nứt kéo dài từ đuôi đến phần lõi mong muốn, khiến giọt nước mắt vỡ tung. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng lớp chịu nén không hề dày, chỉ khoảng 10% đường kính phần đầu, đồng nghĩa với việc nếu mài bề mặt chịu lực này thì vật liệu sẽ dễ vỡ hơn.

TIN LIÊN QUAN

• 

  Đối mặt "đại nạn" ngành xe, linh kiện từ cái máy giặt có thể là lời giải của Hyundai

• 

  Chiếc xe ben phanh gấp khiến cậu bé lĩnh trọn hậu quả: CĐM phì cười rồi thấy có lỗi ngay

Kỹ sư Destin Sandler, chủ kênh YouTube Smarter Everyday Day, đã làm rất nhiều thí nghiệm và giúp Giọt nước mắt của Hoàng tử Rubert phổ biến hơn. Các thí nghiệm được ghi lại với chất lượng cao, sử dụng một chiếc máy ảnh Phantom siêu tốc độ có khả năng ghi hình lên đến 130.000 khung hình/giây.

Thí nghiệm của Destin Sandler một lần nữa cho thấy phần đầu gần như không mấy ảnh hưởng bởi lực nhưng phần đuôi có thể gây ra chuỗi đứt gãy lan truyền với tốc độ lên đến hơn 1,6 km mỗi giây, khiến Giọt nước mắt của Hoàng tử Rubert thực sự nổ tung với tốc độ ước tính từ 1.450 đến 1.900 mét mỗi giây, gấp hơn năm lần tốc độ âm thanh! Một tốc độ thật không thể tưởng tượng được!

Xem thêm:

Tin liên quan

Từ chi tiết vụ bố ném con gái xuống sông: Có 1 'công tắc' vô cùng quan trọng ở mỗi người

https://soha.vn/cuc-thuy-tinh-nong-noc-dan-ban-khong-vo-tay-bop-no-tung-gioi-khoa-hoc-bi-ca-4-the-ky-2022021418564129.htm