Une goutte ou plutôt une larme du Prince Rupert ressemble à un têtard en verre et elle est si solide qu’elle peut encaisser un coup de marteau sans se casser. C’est assez impressionnant, mais si on lui casse la queue, ce qui peut être fait par pression du doigt, la goutte explose en poudre. La raison de cela a mystifié les scientifiques pendant 400 ans, mais une équipe de Purdue University, l’Université de Cambridge et l’Université de technologie de Tallinn en Estonie a enfin la réponse.

Appelées aussi larmes Bataviques, les gouttes du prince Rupert furent découvertes au XVIIe siècle et devinrent célèbres lorsque le prince Rupert de Bavière présenta cinq des curiosités à Charles II d’Angleterre. Ceux-ci ont été remis à la Royal Society pour étude en 1661, mais malgré quatre siècles de recherche, le secret de la combinaison de la grande force de la goutte d’eau et la fragilité autodestructrice est resté insaisissable.

Les gouttes sont faites en prenant des gouttes de verre rouge chaud avec un coefficient de dilatation thermique élevé, comme du verre sodocalcique ou du verre de silex, et en les jetant dans un bocal d’eau froide. Le verre en fusion se solidifie instantanément en forme de goutte d’eau dans un procédé de trempe similaire à celui utilisé pour fabriquer le verre trempé pour les écrans de smartphones modernes, qui n’ a été découvert qu’au XIXe siècle.

Avec le professeur de Purdue en génie industriel, Srinivasan Chandrasekar, le chef d’équipe Hillar Aben de l’Université de Tallinn a utilisé la photoélasticité intégrée pour étudier les gouttes. Il s’agit d’une technique où un objet 3D transparent est suspendu dans un bain d’immersion et traversé par une lumière polarisée. Les modifications de la polarisation de la lumière à l’intérieur de l’objet se présentent sous forme de bandes arc-en-ciel qui correspondent à des lignes de tension.

Des travaux antérieurs de Chandrasekar et du physicien de Cambridge Munawar Chaudhri en 1994 ont montré qu’en filmant une chute explosive à près d’un million d’images par seconde, on pouvait la voir se désintégrer à mesure que des fissures se propageaient à plus de 4 000 mi/h (6 437 km/h) lorsque la queue était cassée.

En se concentrant sur la tête de la chute plutôt que sur la queue, l’étude actuelle a révélé que les contraintes de compression dans le verre sont d’environ 50 tonnes par cm carré, ce qui lui confère la résistance de certains aciers. Selon l’équipe, c’est parce que l’extérieur de la goutte refroidit plus vite que l’intérieur. Celui-ci transforme l’extérieur en une couche de puissantes forces de compression poussant vers l’intérieur. Elles sont compensées par les forces de traction à l’intérieur de la goutte.

Tant que ces forces demeurent en équilibre, la goutte reste stable et peut résister à des traitements sévères. Normalement, comme le verre est un liquide surfondu plutôt qu’un solide, toute fissure à la surface se propage à la vitesse du son à travers un objet en verre et le brise.

Mais pour une larme du Prince Rupert, l’interface entre les régions intérieure et extérieure dévie les forces latéralement, de sorte que la fissure ne peut pas se propager. Cependant, si la queue est cassée, les fissures peu profondes de la queue qui est parallèle à l’axe de la chute, profondément dans la tête, et dans l’interface, permet d’en venir à bout. Les dommages sont si importants que les forces équilibrées sont relâchées, provoquant l’explosion de la goutte.

« La contrainte de traction est ce qui cause habituellement la rupture des matériaux, de la même façon que la déchirure d’une feuille de papier en deux », explique Koushik Viswanathan, associé postdoctoral chez Purdue. « Mais si l’on peut transformer la contrainte de traction en contrainte de compression, il devient alors difficile pour les fissures de croître, et c’est ce qui se produit dans la partie avant des gouttes de Prince Rupert.

La recherche a été publiée dans les Applied Physics Letters et ses résultats sont présentés dans la vidéo ci-dessous.

Source:Purdue University

 

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