หยดน้ำของเจ้าชายรูเพิร์ต (Prince Rupert's drop) หรือเรียกอีกอย่างว่า "ลูกอ๊อดแก้ว" เป็นสิ่งประดิษฐ์แก้วที่แสดงคุณสมบัติสองอย่างที่ตรงข้ามกัน นั่นคือพวกมันมีความเหนียวและเปราะบางมากในเวลาเดียวกัน  ลูกอ๊อดแก้วมีลักษณะหัวเป็นกระเปาะและหางบางยาว หัวมีความแข็งแรงมากจนสามารถทนต่อแรงกระแทกของค้อนได้ และกระสุนที่ยิงในระยะเผาขนได้โดยที่ลูกกระสุนแตกกระจาย  แต่มันจะแตกเป็นเสี่ยง ๆแค่บิดหางของหยดน้ำนิดเดียวจะทำให้หยดทั้งหมดรวมถึงหัวแก้วที่แข็งกระด้างระเบิดแตกกระจายเป็นผุยผงได้ในพริบตา

Prince Rupert's drops  ทำโดยการหยดแก้วหลอมเหลวลงในน้ำเย็นทำให้พื้นผิวด้านนอกแข็งตัวทันทีในขณะที่หยดแก้วภายในยังคงหลอมเหลว ชั้นนอกที่เย็นลงจะพยายามหดตัวในขณะที่ชั้นในที่หลอมละลายพยายามขยายตัว  เมื่อสิ่งทั้งหมดตกผลึกพลังที่ตรงข้ามกันเหล่านี้ที่กระทำกับส่วนหัวของหยดทำให้มันได้รับความแข็งแรงผิดปกติ  แต่ก็ยังคงเปราะบางอยู่หากมีบางสิ่งรบกวนความสมดุล  มันเหมือนกับซุ้มประตูหินทุกอย่างที่อยู่ภายใต้ความดันที่เสถียรมากที่ช่วยรองรับส่วนโค้งทั้งหมด  แต่เมื่อถอดความสมดุลออกแล้วส่วนโค้งทั้งหมดจะพังลง

ลูกอ๊อดแก้วถูกค้นพบในศตวรรษที่ 17 และเป็นที่รู้จักในเยอรมนีตั้งแต่ปี 1640 เดิมถูกสร้างขึ้นโดยช่างทำแก้วในเมือง Mecklenburg (เมคเลนบูร์ก) ทางตอนเหนือของเยอรมนีและถูกขายเป็นของเล่นที่น่าสนใจทั่วยุโรป ซึ่งพวกมันถูกเรียกด้วยชื่อต่างๆเช่น 'น้ำตาปรัสเซียน' (Prussian tears) และ 'น้ำตาดัตช์' (Dutch tears) โดยช่างทำแก้วได้ปกป้องความลับของพวกเขาไว้อย่างมิดชิดซึ่งนำไปสู่ทฤษฎีต่างๆมากมายเกี่ยวกับวิธีการผลิต
 
โดย Margaret Cavendish นักวิทยาศาสตร์มือสมัครเล่นชาวอังกฤษ (The Duchess of Newcastle) ได้ทำการทดลองกับตัวอย่างหลายสิบชิ้นในห้องทดลองของเธอ จากนั้นได้สรุปว่ามีสารระเหยจำนวนเล็กน้อยถูกฉีดเข้าไปในหัวหยดน้ำซึ่งทำปฏิกิริยาอย่างรุนแรงเมื่อสัมผัสกับอากาศ

ในปี 1660 Prince Rupert (the Duke of Cumberland) และหนึ่งในสมาชิกผู้ก่อตั้งของ Royal Society (สถาบันวิทยาศาสตร์เก่าแก่ของอังกฤษ) ได้นำหยดเหล่านี้ไปทำการสาธิตที่ Society ต่อหน้าKing Charles II  หลังจากนั้น King Charles II และ  Royal Society ก็ใช้ชื่อของเขากับฟองแก้วนี้
(Charles II มีความสนใจในวิทยาศาสตร์ใหม่ ๆ ที่กำลังเกิดขึ้นในขณะนั้นและคุ้นเคยกับการโต้เถียงทางวิทยาศาสตร์มากมาย ซึ่งรวมถึง Prince Rupert)

Robert Hooke ผู้รับผิดชอบการทดลองที่ดำเนินการต่อหน้า Society ได้สร้างความก้าวหน้าครั้งสำคัญในช่วงเริ่มแรก โดยแนะนำว่าเป็นการทำความเย็นที่แตกต่างกันของแก้วหลังจากที่มันจมลงไปในน้ำเย็นซึ่งทำให้มันได้รับคุณสมบัติแปลก ๆ นี้  แม้ว่าจะมีความเข้าใจเรื่องกลศาสตร์อย่างเต็มที่แต่นักวิทยาศาสตร์ก็ยังไม่สามารถอธิบายได้ไปอีกสามศตวรรษข้างหน้า

จนถึงปี 1994 เมื่อนักวิทยาศาสตร์จาก Purdue University และ University of Cambridge ใช้การถ่ายภาพด้วยเฟรมความเร็วสูงเพื่อสังเกตกระบวนการแตกตัวของหยดน้ำ สรุปได้ว่าพื้นผิวของแต่ละหยดมีความเค้นอัดสูงในขณะที่ส่วนภายในสัมผัสกับแรงตึงสูง โดยสภาวะสมดุลที่ไม่เท่ากันนี้อาจถูกรบกวนได้ง่ายโดยการหักหาง  การทดลองแสดงให้เห็นว่าหัวกระเปาะสามารถทนต่อแรงอัดได้ถึง 100,000 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว จากภาพความเร็วสูงคำนวณได้ว่ารอยแตกที่สลายตัวได้แพร่กระจายผ่านหางและเข้าสู่ส่วนหัวด้วยความเร็วที่น่าตกใจกว่า 6,500 กิโลเมตรต่อชั่วโมง

จากความร่วมมือเพิ่มเติมกับมหาวิทยาลัยเทคโนโลยี Tallinn University ใน Estonia ในปี 2017  นักวิจัยพบว่าในการทำลายหยดน้ำจำเป็นต้องสร้างรอยแตกที่สามารถเจาะเข้าไปในโซนความตึงเครียดภายในได้  ชั้นอัดด้านนอกมีความบางมากเพียงประมาณ 10 เปอร์เซ็นต์ของเส้นผ่านศูนย์กลางของหัวหยด แต่มีความต้านทานการแตกหักสูง  เนื่องจากรอยแตกบนพื้นผิวมักจะเติบโตขนานกับพื้นผิวจึงไม่สามารถเข้าสู่เขตความตึงเครียดได้  แต่ถ้าหางแตกมันจะทำให้รอยแตกยิงขนานกับแกนของหยด และเข้าไปในโซนความตึงเครียดซึ่งจะปล่อยพลังงานที่ถูกกักไว้ทั้งหมด ทำให้ทั้งหมดแตกเป็นเสี่ยง ๆ

กระจกนิรภัยที่ใช้กันทั่วไปในรถยนต์และโทรศัพท์มือถือถูกทำโดยใช้หลักการเดียวกัน  กระจกถูกทำให้เย็นลงอย่างรวดเร็วในขณะที่ยังหลอมละลายด้วยไอพ่นของอากาศเย็น ทำให้เกิดแรงตึงภายในที่ทำให้พื้นผิวถูกบีบอัดตลอดเวลา การบีบอัดจะป้องกันไม่ให้รอยแตกเพิ่มขึ้น แต่สุดท้ายเมื่อกระจกแตกมันก็แตกเป็นพันชิ้น  นี่คือสาเหตุที่กระจกหน้ารถแตกเป็นชิ้นเล็ก ๆ เมื่อเกิดแรงกระแทก  แต่กระจกมีชั้นกาวพิเศษที่ป้องกันไม่ให้อนุภาคบินเข้าไปในตัวรถและทำให้ผู้โดยสารบาดเจ็บ

"ความเค้นดึงที่ทำให้วัสดุยืดออก (The tensile stress) คือสิ่งที่มักจะทำให้วัสดุเกิดการแตกหักคล้ายกับการฉีกแผ่นกระดาษแค่ครึ่งเดียว "  Koushik Viswanathan นักวิจัยแห่งมหาวิทยาลัย Purdue ผู้ร่วมงานกล่าว "แต่ถ้าคุณสามารถเปลี่ยนความเค้นดึงเป็นความเครียดอัดได้ก็จะยากที่รอยแตกจะขยายตัวและนี่คือสิ่งที่เกิดขึ้นในส่วนหัวของหยดของ Prince Rupert's drops

ในงานวิจัยจนได้รับความกระจ่างนี้นักวิจัยได้ใช้เทคนิคที่เรียกว่า Integrated Photoelasticity ที่คิดค้นโดย Hillar Aben นักวิทยาศาสตร์ที่มหาวิทยาลัย Tallinn ด้วยเทคนิคนี้ทำให้สามารถรู้ลักษณะการกระจายของแรงที่ซับซ้อนของลูกอ๊อดแก้ว ซึ่งจะแสดงออกมาเป็นแถบสีรุ้งเมื่อมองผ่านฟิลเตอร์โพลาไรซ์ คล้ายกับเทคนิคที่ใช้ในการสร้างรูปสามมิติของเครื่องทีซีสแกนในโรงพยาบาล และสามารถหาค่าแรงอย่างละเอียดได้จากลักษณะรูปของแถบสี
“ผลงานวิจัยได้อธิบายอย่างชัดเจนแล้วว่าทำไมหัวลูกอ๊อดแก้วจึงแข็งแกร่งได้มากขนาดนั้น” Chaudhri กล่าว “ผมคิดว่าตอนนี้เราไขปริศนาเรื่องนี้ได้หมดแล้ว อย่างไรก็ตามคำถามใหม่ๆก็อาจจะปรากฏขึ้นมาได้อีกอย่างไม่คาดฝัน”
 



ข้อมูลและภาพจาก   purdue.edu, phys.org
Cr.https://www.amusingplanet.com/2018/11/the-paradox-of-prince-ruperts-drop.html / By KAUSHIK PATOWARY
Cr.https://www.takieng.com/stories/4671

(ขอขอบคุณที่มาของข้อมูลทั้งหมดและขออนุญาตนำมา)