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venerdì, 25 Settembre, 2020

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Gocce del principe Rupert: quello che si nasconde dietro la fisica del vetro temprato

Come poter ottenere delle piccole gocce di vetro dalle proprietà meccaniche incredibili?

Articolo a cura di Axel Baruscotti – Le proprietà del vetro sono ormai ben note al mondo dell’industria, tuttavia esiste un particolare fenomeno riguardante questo materiale che ha affascinato gli scienziati nei secoli e continua tutt’ora a farlo. Le gocce del principe Rupert sono il più curioso e singolare fenomeno da scoprire e da capire.

Sandlin, Mystery of Prince Rupert’s Drop at 130,000 fps – Smarter Every Day 86 2013

Come si presenta il vetro oggi

Il vetro è un materiale conosciuto fin dall’antichità e per questo è molto diffuso nei vari settori della civiltà umana, a partire dall’arte e dall’architettura fino agli usi industriali più tecnologici odierni, come le coperture degli abitacoli per i jet da combattimento. Il vetro unisce delle buone proprietà meccaniche al vantaggio della trasparenza, risultando così una scelta ottimale in svariate applicazioni. Inoltre, questo materiale offre un’ottima protezione contro gli agenti chimici, questo lo sanno bene gli scienziati che ne fanno un uso massiccio in laboratorio dove le sostanze utilizzate sono spesso aggressive nei confronti di materiali metallici o polimerici.

Di particolare importanza è poi la possibilità di temprare il vetro, infatti, il vetro temprato viene utilizzato per tutte quelle applicazioni dove il fattore sicurezza, oltre che alla funzionalità e all’estetica, risulta centrale. Gli esempi più comuni sono i finestrini laterali delle vostre macchine e le vetrate delle docce, perché questi componenti devono essere in grado di sopportare carichi improvvisi e allo stesso tempo rompersi in modo tale da minimizzare il pericolo di un vostro ferimento.

Come ottenere il vetro temprato?

Il vetro può essere migliorato attraverso due metodi di rafforzamento: la tempra termica e la tempra chimica. La prima sfrutta un rapido raffreddamento del materiale caldo per promuovere la formazione di un sottile strato di sforzi di compressione sulla superficie. La seconda, invece, fa la stessa cosa, ma utilizzando la diffusione per introdurre ioni di alcuni elementi, ad esempio il potassio (K), nella struttura del vetro. La tempra chimica del vetro permette di ottenere uno strato di compressione più sottile e viene quindi utilizzata per applicazioni tecnologiche di alto livello, come nel caso sopra citato dei jet da combattimento. Viceversa, la tempra termica del vetro risulta essere il metodo di rafforzamento preferibile laddove non ci siano requisiti tecnici così stringenti.

Gocce del principe Rupert
Schematizzazione del processo di raffreddamento e di formazione degli sforzi in una sezione di lastra di vetro. (WILLIAM F. SMITH 2012)

Come detto, la tempra termica consiste nel rapido raffreddamento del vetro, il quale raffreddandosi in modo disomogeneo (più velocemente all’esterno e più lentamente all’interno) provoca la formazione di uno strato superficiale di sforzi di compressione e uno strato interno di sforzi di trazione. Si può pensare lo strato esterno di compressione come uno “scudo” contro l’azione delle sollecitazioni esterne. Questo perché lo strato di compressione agisce contro la propagazione della frattura che si può generare in presenza di un piccolo difetto, o cricca in gergo tecnico, presente sulla superficie del vetro. In questo modo si ottiene un vetro rinforzato che può essere fino a quattro volte più resistente del semplice vetro ricotto.

In termini di sicurezza, lo strato di sforzi di tensione gioca un ruolo centrale. Infatti, se la sollecitazione è abbastanza intensa da superare lo “scudo” esterno di compressione del vetro, lo stato tensionale favorisce il rapido propagarsi della frattura che va a formare piccoli pezzi di vetro poco affilati. Se vi è mai capitato di vedere i cocci di vetro di un finestrino della macchina, avrete sicuramente notato che rispetto ad un bicchiere da vino i detriti sono molto più piccoli e meno affilati.

Le gocce del principe Rupert

Le gocce del principe Rupert sono probabilmente il più curioso fenomeno meccanico riguardante il vetro mai osservato nella storia. Queste particolari gocce di vetro temprato sono state studiate per la prima volta dalla Royal Society in Inghilterra, dopo che nel XVII secolo il Principe Rupert del Reno le portò al cospetto del Re Carlo II di Inghilterra.

Queste semplici gocce di vetro si formano raffreddando rapidamente dei globuli di vetro fuso in acqua a temperatura ambiente, ottenendo così del vetro temprato secondo i principi di cui abbiamo parlato precedentemente. La singolarità di queste gocce è data dalla differenza di comportamento fra la “testa” della goccia e la sua “coda”. La prima può resistere incredibilmente ad urti notevoli per mezzo di un martello, o addirittura distruggere all’impatto un proiettile sparato da un fucile d’assalto:


La coda, invece, si rompe con la semplice pressione di una pinza, dando il via alla propagazione della frattura, la quale può viaggiare a velocità superiori ai 1600 metri al secondo, che equivalgono a 5760 chilometri all’ora!

Questo comportamento singolare è dovuto alle enormi tensioni interne che si generano nel vetro in seguito alla severità della tempra. Recentemente l’intensità delle tensioni interne nelle gocce del principe Rupert è stata misurata da un gruppo di scienziati grazie ad una metodologia sperimentale, con la quale hanno potuto appurare la presenza di sforzi di compressione compresi fra i 400 e i 700 megapascal (Mpa). Se non siete pratici con gli sforzi, pensate che sul fondo della fossa delle Marianne, ossia il fondale oceanico più profondo del mondo (circa 11 000 metri sotto al livello del mare), la pressione esercitata dall’acqua è di circa 111 MPa!

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