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El mágico enigma de las gotas del príncipe Rupert que sólo después de 400 años logramos comprender

Las lágrimas de vidrio de larga cola resisten balas por una punta y se quiebran con la presión de los dedos por la otra; ¿Qué secreto guardan?

Sábado 22 de julio de 2017 • 13:46
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Además de ser extraordinarias, son bellas y, aunque transparentes, guardaron sus secretos por siglos.
Además de ser extraordinarias, son bellas y, aunque transparentes, guardaron sus secretos por siglos.. Foto: LA NACION

¿Has oído hablar de las gotas del príncipe Rupert? Quizás las conoces con el nombre de esferas de Rupert o el más romántico lágrimas holandesas.

Son una metáfora en vidrio de la fortaleza y la fragilidad. Y han intrigado a científicos y entretenido a curiosos durante siglos.

Unas curiosidades en forma de gotas con largas colas, que resisten golpes y hasta balazos por un extremo y se desintegran con una leve presión por el otro.

En 1625 las hacían en Mecklenburg, en el norte de Alemania, aunque se cree que venían de Holanda pues en el siglo XVII las llamaban lacrymae Batavicae o lágrimas holandesas.

Más tarde las empezaron a llamar gotas del príncipe Rupert pues ese príncipe de Bavaria le regaló unas al rey Carlos II de Inglaterra y en 1661 el monarca se las pasó a la Real Sociedad de Londres para el Avance de la Ciencia Natural (Royal Society) para que las estudiaran.

¿Por qué? Porque, aunque son fáciles de hacer, son difíciles de entender.

Modo de preparación

La gota ardiente a punto de caer en el agua.
La gota ardiente a punto de caer en el agua.. Foto: LA NACION

Durante un tiempo el secreto de la manufactura de las lágrimas estuvo guardado en la zona de Mecklenburg. Pero era un secreto con tiempo limitado pues el proceso es sencillo.

Se enfría y listo.
Se enfría y listo.. Foto: LA NACION

Calientas vidrio común o vidrio flint -que tienen un alto coeficiente de expansión termal- hasta que se derrita y dejas caer las gotas en un recipiente con agua. Al caer se solidifica instantáneamente en la forma de la gota del príncipe Rupert: una lágrima con una larga y delgada cola.

El resultado de tan simple proceso es mágico.

El fenómeno

Y aquí están: hay quienes las describen como renacuajos.
Y aquí están: hay quienes las describen como renacuajos.. Foto: LA NACION

Las gotas tienen unas propiedades extraordinarias.

El cuerpo es sorprendentemente fuerte: puedes pararte sobre él o golpearlo con un martillo y no se parte.

Y, por muchos siglos que pasen, esa característica no ha dejado de llamar la atención: recientemente Destin Sandlin de SmarterEveryDay*, disparó una bala full metal jacket .38 special contra una lágrima holandesa.

La bala se desintegró; la gota del príncipe Rupert quedó entera.

Y eso no es todo

Golpearlas con martillos y mazos es lo menos que les han hecho a las lágrimas... y resisten.
Golpearlas con martillos y mazos es lo menos que les han hecho a las lágrimas... y resisten.. Foto: LA NACION

En contraste con ese extremo de las gotas del príncipe Rupert, en la cola, si el fragmento más minúsculo se rompe, la lágrima entera explota con un "pop" y se hace trizas... desaparece.

Esto es lo que ha mistificado a científicos y curiosos durante siglos.

Y aunque muchos han tratado de entender el fenómeno, además de la combinación de su gran fortaleza y su autodestructiva fragilidad, resulta que otra de sus características es que su razón de ser es elusiva.

Ciencia sin fronteras

Las gotas del príncipe Rupert atrajeron el interés científico en Alemania en los años 1640; en los 1650 fueron discutidas y examinadas en Francia y Holanda; en los 1660, los ingleses se les unieron.

Presión en la cola, que se puede hacer con los dedos, y...
Presión en la cola, que se puede hacer con los dedos, y.... Foto: LA NACION
... se hace polvo.
... se hace polvo.. Foto: LA NACION

Uno de los primeros intentos de encontrar una explicación que tenemos quedaron registrados en cartas entre el erudito holandés sir Constantijn Huygens y la científica aficionada Margaret Cavendish, duquesa de Newcastle.

Huygens le pidió que investigara las propiedades de las entonces llamadas lágrimas holandesas.

"El rey de Francia no ha podido resolver la cuestión a pesar de que ha estado tan curioso que se las pasó a una asamblea de los mejores filósofos de París", escribe.

La duquesa contestó una semana después diciendo que, desde su punto de vista, la explosión que ocurría cuando se quebraba la punta de la cola se debía a que una minúscula cantidad de material volátil quedaba atrapado dentro de las gotas y reaccionaba violentamente al entrar en contacto con el aire.

A veces parecen dulces.
A veces parecen dulces.. Foto: LA NACION

La correspondencia continuó por semanas pero ninguno de los dos llegó a una explicación aceptable.

En Londres, en 1661, miembros de la Royal Society hicieron experimentos y los resultados fueron presentados por el presidente de la sociedad, frente a una audiencia que incluía al viajero francés Balthasar de Monconys, quien tradujo el informe y lo llevó a Leiden, en el sur de Holanda.

La investigación de las lágrimas holandesas es una muestra de que, en sus mejores momentos, la ciencia ignora las fronteras en pos de entender la naturaleza.

Todo esto sucedía en el momento más aguerrido de las guerras anglo-holandesas, dos de los al menos cuatro naciones involucradas en la investigación de las lágrimas.

Correspondencia repleta de información y datos siguió intercambiándose sin ninguna censura entre los científicos holandeses y los ingleses.

Fuertes pero desequilibradas

Poco a poco, se fue acumulando información sobre las gotas del príncipe Rupert, pero no fue sino hasta los años 20 del siglo XX que se empezó a entender mejor su comportamiento, con el desarrollo de la Mecánica de la Fractura que inició el ingeniero aeronáutico inglés Alan Arnold Griffith durante la Primera Guerra Mundial.

En 1994, Srinivasan Chandrasekar, profesor de Ingeniería Industrial de Purdue University, EE.UU., y Munawar Chaudhri, físico de la Universidad de Cambridge, Inglaterra, mostraron que filmando una gota al explotar a casi un millón de fotogramas por segundo se podía ver que se desintegraba cuando las grietas se propagaban por dentro a unos 6.500 km/h cuando cortaban un trocito de la cola.

Concluyeron que la superficie de cada gota experimenta tensiones altamente compresivas, mientras que el interior experimenta fuerzas de alta tensión

Esa combinación hace que la cabeza sea muy fuerte, pero no está en equilibrio. Por eso, incluso una ligera alteración en la cola hace que todo se desestabilice y se desmorone.

Y en 2017...

Gracias a avances tecnológicos recientes, los investigadores de Purdue University, de la Universidad de Cambridge y de la Universidad de Tecnología de Tallin en Estonia, pudieron examinar la distribución de la tensión en detalle.

Usaron un polariscopio de transmisión, un tipo de microscopio que estudia las tensiones dentro del vidrio.

Iluminando la cabeza de la lágrima con luz LED pudieron ver cómo esas tensiones le cambiaban la velocidad a la luz.

Eso se ve así:

Fotografías de la explosión, estudio de 1994.
Fotografías de la explosión, estudio de 1994.. Foto: LA NACION

Es un mapa óptico de los colores del arcoíris que representa las fuerzas que conviven dentro de la gota y, con modelos matemáticos pudieron calcularlas.

"La superficie de las gotas se enfría más rápidamente que el interior, produciendo una combinación de tensiones de compresión en la superficie y tensiones de tracción compensadoras en el interior", explica Chandrasekar en un video que preparó Purdeu University.

Encontraron que la tensión de comprensión del vidrio era de unas 50 toneladas por pulgada al cuadrado, que para muchos de nosotros no significa mucho pero la traducción es que es tan fuerte como algunos tipos de acero... pero sólo en la delgada capa de la superficie de la cabeza.

La capa superior de cola por el contrario es como una brizna de vidrio que se rompe con facilidad y, crucialmente, está conectada a la zona de tensión interior que es muy sensible.

La de dentro se llama tensión de tracción y, señala Chandrasekar, "es la que usualmente causa que los materiales se rompan, como cuando se rasga un pedazo de papel".

El misterio de las curiosidades de vidrio que el príncipe Rupert (izquierda) le regaló al rey Carlos II (derecha) finalmente fue develado.

Un enigma de cuatro siglos, resuelto.

Y no sólo para satisfacer la curiosidad, que de por sí es una excelente razón.

Entender las lágrimas holandesas puede llevar a que cuando se te caiga tu teléfono, la pantalla no se haga añicos.

Resultados del estudio aparecieron en la publicación Applied Physics Letters bajo el nombre de "Sobre la fuerza extraordinaria de las gotas del príncipe Rupert".

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