Gotas de vidro explosivas e sua bizarra física

Por , em 25.03.2013


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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 das gotas de vidro explosivas

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.[SmarterEveryDay, Wikipedia, SAPONoticias]

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10 comentários

  • Vinicius Dantas:

    “Cinza representa vidro sólido. ” Assim… o vidro não é sólido, é líquido…

    • Thiago César:

      https://hypescience.com/o-vidro-e-um-liquido-mito-ou-realidade/ Pelo o que eu estava lendo aqui, seria impossivel classificar o vidro como uma espécie de líquido.

    • Guilherme de Souza:

      “Cinza representa o vidro sólido… e vermelho o vidro derretido”.

      Não é porque existe vidro derretido que “o vidro é líquido”

    • Vinicius Dantas:

      Eu sei disso, Guilherme. Mas o Vidro é realmente líquido, é um líquido de alta viscosidade, mesmo aquele vidro do copo com que bebes água ou de uma mesa…

    • Vinicius Dantas:

      Outro caso do que falei:
      http://www.cienciahoje.pt/index.php?oid=57618&op=all

    • Vinicius Dantas:

      O processo de produção do vidro consiste em uma queda brusca de temperatura, além do ponto de congelamento, de forma que ele supercongela, causando aumento na viscosidade e na coesão do material, mas sem solidificar-se. Mas, já que mostraste esse artigo… pesquisarei a respeito.

    • Regis Olivetti:

      O vidro é um sólido. Quem diz que é líquido, está enganado. É um sólido amorfo.

  • Thiago Alexandre Dos Santos:

    Uma das coisas mais interessantes que ja vi este ano…
    ótima matéria, vamos pedir para os Slow Mo Guys fazerem um video disto também rsrs

  • Kelcey Melo:

    Basicamente é o princípio da construção do vidro temperado.

  • Daaniel Caarlos Coelho:

    Muito interessante.
    O vidro segura essa tensão por tempo indeterminado ou logo essa tensão se esvai?

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