Telah membingungkan banyak ilmuwan di seluruh dunia, misteri fisika berusia 400 tahun akhirnya terpecahkan. Misteri tersebut dikenal dengan 'Prince Rupert's drops' atau tetesan Pangeran Rupert yang terkenal pada tahun 1660.
Misteri tersebut adalah, bagaimana permen kaca kecil berbentuk tetesan air mata dapat bertahan dari hantaman palu. Namun, tetesan kaca tersebut dapat hancur berkeping-keping dengan sedikit sentuhan pada batangnya.
Misteri tersebut sekarang akhirnya terpecahkan, setelah 400 tahun membingungkan banyak ilmuwan dan ahli fisika di dunia.
"Di satu sisi, kepala dapat menahan hantaman, dan di sisi lain, ekornya dapat dipatahkan hanya dengan sedikit tekanan jari, dan dalam beberapa mikrodetik semuanya hancur menjadi bubuk halus disertai suara letupan yang tajam," jelas rekan penulis Srinivasan Chandrasekar.
Chandrasekar adalah seorang profesor teknik industri dan direktur Pusat Pemrosesan Bahan dan Tribologi di Purdue University di Indiana, mengatakan dalam sebuah pernyataan.
Sekarang, sebuah penelitian baru mengungkapkan, bahwa kepala tetesan kaca kecil ini memiliki kekuatan yang tak tergoyahkan karena gaya tekan yang bekerja di bagian luar tetesan. Gaya-gaya ini menyaingi gaya tekan dalam beberapa bentuk seperti baja, menurut hasil penelitian tersebut.
Misteri kaca
Tetesan Pangeran Rupert pertama kali mendapat ketenaran luas pada tahun 1660, ketika Pangeran Rupert dari Rhine (Jerman) membawa beberapa keingintahuan kepada Raja Charles II dari Inggris.
Tetesan air mata, yang dibuat dengan menuangkan cairan kaca ke dalam air dingin, kemungkinan besar telah diketahui oleh para peniup kaca berabad-abad sebelumnya.
Charles kemudian menyerahkannya kepada Royal Society, yang menerbitkan penyelidikan ilmiah pertamanya tentang sifat-sifatnya pada tahun 1661.Selama berabad-abad, para ilmuwan bingung dengan teka-teki tetesan Pangeran Rupert.
Pada tahun 1994, Chandrasekar dan rekannya menggunakan kamera berkecepatan tinggi untuk menangkap 1 juta frame per detik dari tetesan air saat pecah. Rekaman itu mengungkapkan bahwa retakan kecil yang terbentuk di ekor dengan cepat menyebar ke kepala.
Begitu retakan itu mencapai kecepatan yang cukup tinggi (sekitar 1,5 kilometer per detik), retakan itu terbelah menjadi dua, kata Chandrasekhar.
Kemudian kedua retakan itu mencapai kecepatan yang cukup tinggi dan terbelah menjadi dua, dan seterusnya. Akhirnya, seluruh struktur benar-benar diambil alih oleh banyak sekali retakan kecil, katanya.
"Ekornya akan putus tetapi kepalanya akan meledak menjadi bubuk, dan bagian itu sebenarnya cukup spektakuler," kata Chandrasekhar kepada Live Science.
Temuan itu menjelaskan mengapa patahan ekor dengan mudah menghancurkan struktur. Namun, sejak penyelidikan itu, para ilmuwan telah mencoba menjelaskan kombinasi paradoks antara kekuatan dan kerapuhan pernak-pernik kaca ini.
Tetapi itu tidak pernah memberikan penjelasan yang memuaskan tentang sifat kepala yang hampir anti pecah.
Kepala yang kuat
Dalam penelitian baru mereka, Chandrasekar mengandalkan teknik yang sedikit berbeda yang disebut fotoelastisitas terintegrasi, untuk mengungkap misteri kepala tetesan kaca.
Teknik tersebut untuk menempatkan objek dalam genangan air dan kemudian melewati gelombang cahaya terpolarisasi, atau cahaya yang berorientasi pada satu bidang, melalui materi. Tekanan internal di dalam material mengubah polarisasi cahaya.
Melihat polarisasi gelombang cahaya keluar melalui filter khusus mengungkapkan tekanan internal di dalam objek—dalam hal ini, kepala tetesan dan ekor.
Ternyata kepala tetesan air Prince Rupert mengalami tingkat tegangan kompresi yang luar biasa – sekitar 50 ton per inci persegi. Tegangan kompresi adalah gaya per satuan luas yang menyatukan benda-benda.
Tegangan ini terbentuk karena jenis kaca yang digunakan dalam tetesan air mata ini — yang mengembang secara dramatis dengan panas — juga menyusut secara dramatis saat terkena air dingin. Selama proses pembuatan tetes ini, cairan kaca dicelupkan ke dalam air dingin.
Saat cairan kaca menyentuh air, bagian luarnya lebih cepat dingin daripada bagian dalamnya. Lapisan luar kaca kemudian membentuk semacam "jaket" yang menekan bagian dalamnya.
Karena bagian dalam masih mendingin, dan karena gaya total yang bekerja pada benda harus sama dengan nol, bagian kepala membentuk tegangan tarik pada bagian dalamnya.
Hasil penelitian tersebut mereka laporkan dalam makalah mereka, yang dipublikasikan secara daring di Applied Physics Letters. Makalah tersebut diterbitkan dengan judul "On the extraordinary strength of Prince Rupert's drops."
Mereka juga merekam pengujian mereka dan mengunggahnya di Channel Youtube Purdue Enginering dengan judul "Prince Rupert's Drops: 400 Year Old Mystery Revealed."
Secara umum, tegangan tarik adalah gaya internal per satuan luas yang menarik benda-benda terpisah – pikirkan tindakan merobek selembar kertas menjadi dua. Tegangan tarik dan kompresi bekerja dalam arah yang berlawanan dan dengan demikian membatalkan satu sama lain.
Alasan tegangan kompresi di bagian luar tetesan mencegah pecahan agak intuitif. Kompresi menekan atom-atom kaca lebih dekat satu sama lain – sehingga mereka tidak punya tempat untuk pergi.
Fraktur juga tidak mudah bergerak melalui material di bawah kompresi. Sebaliknya, sebagian besar bahan cenderung lebih mudah pecah saat ditarik dalam keadaan tegang.
Namun, permen kaca yang tahan pecah ini pun pada akhirnya akan retak di bawah tekanan. Misalnya, jika kepala tetesan dimasukkan ke dalam catok dengan tekanan yang cukup, mereka juga pada akhirnya akan berubah menjadi bubuk, meski tidak sehebat proses pemotongan ekor, kata Chandrasekar.
"Tidak ada yang tidak bisa dipecahkan," kata Chandrasekar.