ไขปริศนา 400 ปีลูกอ๊อดแก้วเอาค้อนทุบหัวไม่แตกแต่ถ้าเด็ดหางจะระเบิดเป็นจุณ

Prince Rupert’s drops หรืออาจเรียกว่าลูกอ๊อดแก้ว เป็นวัตถุประหลาดที่ได้จากการเอาแก้วหลอมเหลวหยดลงไปในน้ำเย็น แก้วที่แข็งตัวแล้วมีลักษณะหัวมนโตหางเรียวยาวคล้ายกับลูกอ๊อด ส่วนหัวจะแข็งแกร่งมากขนาดเอาค้อนทุบไม่แตก บางทีเอาปืนยิงก็ไม่เป็นไร แต่ถ้าบิดปลายหางให้หักนิดเดียวมันจะระเบิดแตกกระจายเป็นผุยผงไล่จากหางจรดหัวในชั่วพริบตา

ลูกอ๊อดแก้วถูกค้นพบในศตวรรษที่ 17 เริ่มเป็นที่รู้จักเมื่อเจ้าชายรูเพิร์ตจากเยอรมัน (Prince Rupert of the Rhine) ได้นำแก้วประหลาดนี้จำนวนหนึ่งมามอบให้พระเจ้าชาลส์ที่ 2 แห่งอังกฤษ และถูกส่งต่อไปยัง Royal Society สถาบันวิทยาศาสตร์เก่าแก่ของอังกฤษเพื่อทำการศึกษาในปี 1661 ผ่านไปเกือบ 400 ปีปริศนาที่มันมีทั้งความแข็งแกร่งประดุจเพชรและความเปราะยิ่งกว่าแก้วรวมอยู่ด้วยกันก็ยังคงดำมืด

ทีมวิจัยจากมหาวิทยาลัยเพอร์ดู, มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ จากสหราชอาณาจักร และมหาวิทยาลัยทาลลินน์ ประเทศเอสโตเนีย ได้ร่วมกันไขปริศนาที่ซ่อนอยู่เบื้องหลังคุณสมบัติประหลาดของมันจนกระจ่าง

 
ในงานวิจัยใหม่นี้นักวิจัยได้ใช้เทคนิคที่เรียกว่า Integrated Photoelasticity ที่คิดค้นโดย Hillar Aben นักวิทยาศาสตร์ที่มหาวิทยาลัยทาลลินน์ซึ่งร่วมในงานวิจัยนี้ด้วย ด้วยเทคนิคนี้ทำให้สามารถรู้ลักษณะการกระจายของแรงที่ซับซ้อนของลูกอ๊อดแก้ว ซึ่งจะแสดงออกมาเป็นแถบสีรุ้งเมื่อมองผ่านฟิลเตอร์โพลาไรซ์ คล้ายกับเทคนิคที่ใช้ในการสร้างรูปสามมิติของเครื่องทีซีสแกนในโรงพยาบาล และสามารถหาค่าแรงอย่างละเอียดได้จากลักษณะรูปของแถบสี

prince-ruperts-drop-2

การวิจัยครั้งนี้เป็นการขยายต่อจากงานวิจัยเมื่อ 20 กว่าปีก่อนโดย Srinivasan Chandrasekar อาจารย์ที่มหาวิทยาลัยเพอร์ดู และ Munawar Chaudhri นักฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ ในปี 1994 นักวิจัยใช้ภาพถ่ายความเร็วสูงมากเกือบ 1 ล้านเฟรมต่อวินาทีวิเคราะห์การแตกกระจายของลูกอ๊อดแก้ว พบว่ารอยร้าววิ่งจากหางไปที่หัวด้วยความเร็วกว่า 6,400 กม./ชม. ซึ่งอธิบายการแตกระเบิดของลูกอ๊อดแก้วเมื่อโดนขลิบหาง

งานวิจัยปี 1994 เน้นไปที่หางซึ่งทำให้มันเป็นวัตถุที่เปราะอย่างยิ่ง แต่งานวิจัยใหม่ได้เน้นไปที่หัวกับคุณสมบัติที่แข็งแกร่งอย่างเหลือเชื่อของมัน

ผลงานวิจัยใหม่พบว่าผิวนอกของหัวลูกอ๊อดแก้วมีแรงอัดที่สูงมาก ผิวด้านนอกที่หนาราว 10% ของเส้นผ่าศูนย์กลางของหัวลูกอ๊อดแก้วมีแรงอัดสูงมากถึง 700 MPa หรือเกือบ 7,000 เท่าของความดันบรรยากาศ นี่คือสิ่งที่ทำให้มันแข็งแกร่งมาก

เมื่อหยดแก้วหลอมเหลวลงไปในน้ำ ผิวด้านนอกจะเย็นเร็วกว่าด้านในมาก ผิวด้านนอกที่แข็งตัวก่อนอย่างรวดเร็วจะหดตัวเกิดแรงอัดขึ้นอย่างมหาศาล ส่วนเนื้อแก้วด้านในที่แข็งตัวทีหลังเกิดเป็นแรงดึง ทำให้ลูกอ๊อดแก้วมีโซนแรงอัดอยู่บริเวณผิวนอก และโซนแรงดึงอยู่ภายใน

การจะทำให้ลูกอ๊อดแก้วแตกได้จะต้องให้เกิดรอยร้าวไปให้ถึงโซนแรงดึง เนื่องจากผิวนอกของหัวลูกอ๊อดแก้วมีแรงอัดขนาดมหาศาลแม้จะโดนกระแทกอย่างแรงก็เกิดรอยร้าวขึ้นได้ยากมาก อีกอย่างหนึ่งรอยร้าวที่เกิดขึ้นมีแนวโน้วที่จะวิ่งไปตามความยาว มันจึงกินลึกลงไปไม่ถึงโซนแรงดึง ดังนั้นเมื่อเอาค้อนทุบหัวลูกอ๊อดแก้วมันจึงไม่แตก

แต่ถ้าหางของลูกอ๊อดแก้วถูกขลิบออกจะมีรอยร้าวถึงโซนแรงดึงด้านในทันที ลูกอ๊อดแก้วจึงแตกระเบิดกระจายอย่างรวดเร็ว

“ผลงานวิจัยได้อธิบายอย่างชัดเจนแล้วว่าทำไมหัวลูกอ๊อดแก้วจึงแข็งแกร่งได้มากขนาดนั้น” Chaudhri กล่าว “ผมคิดว่าตอนนี้เราไขปริศนาเรื่องนี้ได้หมดแล้ว อย่างไรก็ตามคำถามใหม่ๆก็อาจจะปรากฏขึ้นมาได้อีกอย่างไม่คาดฝัน”

 

ข้อมูลและภาพจาก   purdue.edu, phys.org

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *