segunda-feira, 25 de março de 2013

A bizarra física de gotas de vidro explosivas




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O canal do Youtube “Smarter Every Day” realizou um experimento para mostrar um fenômeno muito curioso conhecido como “gota do Príncipe Rupert”.
Segundo o vídeo, a experiência nunca foi mostrada na internet. Destin, um dos autores do canal, se encontrou com Cal, da Orbix Hot Glass. Juntos, eles aqueceram um pedaço de vidro, e em seguida o colocaram em um balde com água fria.
Assim que o vidro esfria, adquire uma forma peculiar, que lembra um girino. Esse simples pedaço de vidro, entretanto, não é um simples pedaço de vidro – ele tem algumas propriedades mecânicas interessantes.
Você pode acertá-lo com um martelo, por exemplo, que ele não vai quebrar. No vídeo, você pode ver na primeira tentativa dos meninos que a gota sequer se racha ao ser martelada. No entanto, na segunda tentativa, ao ser acertada com mais força, a gota aparentemente se quebra.
Usando uma câmera de alta velocidade, Destin mostra que, mesmo tenha parecido que a gota foi quebrada, não foi bem isso que aconteceu. Após ser acertada com um martelo, ela continuou inteira, em seguida explodindo – se desmanchando em milhares de estilhaços.
O interessante vem em seguida: as imagens em slow motion revelam que, como previsto, não foi o martelo que fez a gota explodir – e sim o movimento em serpente da cauda, que se contorce rapidamente, disparando a explosão.
Esse é o segredo deste fenômeno bizarro: você pode tentar acertar a gota de todas as formas, que ela não vai se quebrar; mas, se você relar, mesmo de leve, em sua cauda, a coisa toda vai literalmente explodir.
Destin mostra a explosão estranha em várias velocidades, como 3.000 quadros por segundo (frames por segundo, ou fps) e 100.000 fps, nas quais podemos ver claramente que, só de encostar na cauda, cada pedaço do vidro começando por ela até a “cabeça” da gota se estilhaça.

A física por trás da gota do Príncipe Rupert

Usando um polariscópio, que é basicamente um vidro filtrado polarizado usado para verificar se uma luz emana diretamente de uma fonte ou se já sofreu o fenômeno da polarização, Destin coloca outro filtro sob a lente da câmera, e a gota no meio dos dois, de forma que o telespectador pode dar uma olhada na estrutura interna do vidro.
O que vemos é um estresse interno que se criou dentro da gota. E como todo esse estresse foi parar lá?
Destin usa cores como metáforas para explicar o fenômeno. Cinza representa vidro sólido. Vermelho representa vidro derretido – e, por causa do coeficiente de expansão térmica, é seguro assumir que, quanto mais alta a temperatura, maior o vidro “vermelho” deve ficar. Azul representa vidro que está esfriando – transitando entre os dois estados. Por causa do mesmo coeficiente, esse vidro está encolhendo.
A gota do Príncipe Rupert pode ser entendida como milhares de pedaços de vidro infinitesimais, cada um querendo interagir com o outro do seu lado. Quando o vidro derretido é colocado em água fria, a camada de vidro “vermelho” mais exterior imediatamente fica sólida (“cinza”), e por isso solidifica a forma de gota do fenômeno.
O interior da gota, entretanto, ainda é um líquido quente expandido. Conforme é exposto a água fria, ele começa a esfriar e empurrar contra a camada exterior. O problema é que este vidro exterior já está sólido, então “empurra de volta”, e não se quebra. Na verdade, fica mais forte.
Como o vidro esfriando não consegue mover a camada exterior, passa a fazer força contra si mesmo, causando enorme tensão, o que o endurece, tornando-o sólido também.
Eis a gota do Príncipe Rupert: o exterior está em extremo estresse compressivo, e o interior está em extremo estresse tensivo. Se uma ligação nessa corrente tensa for quebrada, quebra toda a linha, se alimentando de sua própria energia armazenada, como um explosivo químico. A diferença é que, ao invés de liberar energia química potencial, energia de tensão mecânica é liberada.
Ao gravar a explosão a 130.000 fps, Destin pode até calcular a velocidade com que isso ocorre: cerca de 1.658 metros por segundo.

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