En general tendemos a pensar que el vidrio es algo muy frágil siempre, y que eso es una propiedad intrínseca (como que sea transparente). La realidad es que no, que la resistencia de un material depende de cómo estén dispuestas las moléculas dentro de él. Hace años no se sabía que los materiales tuvieran estructura interna, pero sí sabían cómo hacer gotas de vidrio que soportan martillazos, pero que a su vez estallaban con un pellizco: Las gotas del príncipe Rupert.
El origen de estas gotas de forma tan característica no está muy claro, pero se sabe que su popularización se debió en gran medida al antes mencionado príncipe Rupert del Rin. No es difícil entender que se volvieran tan populares cuando crearlas consiste básicamente en dejar gotear vidrio líquido sobre agua fría, y sus propiedades son tan sorprendentes que resultan increíbles.
¿Por qué se vuelve el vidrio tan resistente?
Para entender estas propiedades debemos saber que la resistencia mecánica de un material, esto es, a los golpes, presiones, etc… se debe a impurezas, dislocaciones, irregularidades… en la estructura a nivel atómico de dicho material. Además, depende de la orientación de las moléculas con respecto a la fuerza que se aplica (mejor cuando son perpendiculares). La clave de cómo conjugar todo esto reside en el proceso de fabricación.
Cuando dejamos caer el vidrio líquido sobre el agua fría la superficie se solidifica inmediatamente dándole a la gota su forma característica. Pero el vidrio conduce mal el calor y la parte de dentro empieza a solidificarse más lentamente (con tiempo para orientarse como mejor convenga). Pero el vídrio líquido ocupa más que el solido, por lo que durante la solidificación la parte interna tira de la cáscara sólida hacia dentro creando unas tensiones muy fuertes. Sin embargo, la parte externa ya es sólida por lo que solo puede mantener su forma.
Estas tensiones creadas por la parte interna quedan “congeladas” y guardadas en forma de energía interna, mucha energía interna. Así que lo que tenemos es un trozo de vidrio cuya parte externa tiene estructura paralela a la superficie (perpendicular a casi cualquier fuerza que hagamos) pero internamente tiene una cantidad enorme de energía almacenada de forma metaestable (que es la palabra “cool” para decir que es inestable pero solo cambiará cuando alguien actúe sobre ello de la forma indicada).
Cómo romper una gota del príncipe Rupert
El motivo por el que estas tensiones y esta energía interna no rompe el vidrio es porque cada molécula se apoya en la siguiente y esta en la de después… y así disminuye la tensión hasta el final de la gota. Pero en el momento en que una molécula no tiene vecina en la que apoyarse, esta tensión comienza a liberarse por toda la cadena hasta llegar a la cabeza. Algo parecido a lo que sucede en esas figuras de equilibrio como la que veis más abajo; todo funciona correctamente hasta que uno se sale y entonces todos, todos caen. Esto es justo lo que sucede al pellizcar la cola.
Y ahora viene la parte más espectacular, al menos para mi: ¿cómo estalla una gota del príncipe Rupert? A primera vista parece que toda la gota estalla a la vez, pero según hemos contado esto debería ser una reacción en cadena. Por suerte estamos en el s.XXI y una persona normal puede comprarse una cámara de ultra alta velocidad y subir el vídeo a YouTube. Y si además el tío sabe un poco de ciencia podemos conseguir una estimación de la velocidad de propagación.
Como podéis ver en el vídeo la gota estalla paulatinamente desde la cola hasta la cabeza, pero lo hace a 5000m/s. Estudios más detallados muestran que las velocidades típicas son del orden de 1000km/s que es en torno a 3 veces la velocidad del sonido en el aire. Increíble.
Como veréis hay mucho que contar muy interesante sobre las gotas del príncipe Rupert. El que sea muy valiente puede incluso intentar hacerlo en casa comprando un soplete y una barra de vidirio y teniendo mucho mucho mucho cuidado estas cosas queman de verdad, no como el café de por la mañana. Si tenéis cualquier duda o queréis más información, no dudéis en comentarlo.