Kính cường lực và giọt nước mắt Rupert vỡ vụn trong chớp mắt vì cùng một bí mật: lớp ngoài bị nén chặt, lớp lõi bị kéo căng. Lớp vỏ bị nén khiến chúng cứng hơn kính thường nhiều lần, nhưng chỉ cần một vết nứt xuyên qua lớp vỏ chạm vào lõi, năng lượng tích sẵn bên trong giải phóng một lượt. Vết nứt lan đi với tốc độ khoảng 1,5 km mỗi giây, cả tấm kính hay cả giọt thuỷ tinh hoá thành bột chỉ trong vài phần nghìn giây.
Kính thường vỡ thế nào
Thuỷ tinh là vật liệu lạ: chịu nén rất tốt nhưng chịu kéo rất kém. Bề mặt kính nào cũng có những vết xước li ti không nhìn thấy được. Khi tấm kính bị uốn cong, một mặt của nó bị kéo giãn, các vết xước ở mặt đó bị kéo toác ra và trở thành điểm khởi đầu của vết nứt. Vì thế kính thường vỡ thành những mảnh to, sắc như dao, theo những đường nứt dài toả ra từ chỗ va chạm.
Ý tưởng của kính cường lực rất khéo: nếu bề mặt luôn bị nén sẵn, các vết xước sẽ bị ép khép lại. Muốn kéo chúng toác ra, lực tác dụng phải đủ lớn để thắng cả lực nén sẵn có. Kính trở nên khó vỡ hơn hẳn.
Làm kính cường lực: nung rồi thổi lạnh đột ngột
Cách phổ biến nhất là tôi nhiệt:
- Tấm kính đã cắt, khoan, mài cạnh xong xuôi được đưa vào lò, nung lên khoảng 600–650 °C, gần mức kính bắt đầu mềm.
- Ra khỏi lò, hai mặt kính bị thổi luồng khí lạnh cực mạnh trong vài giây.
- Bề mặt nguội và cứng lại trước. Lõi bên trong vẫn còn nóng, nguội sau và co lại sau. Khi co, lõi kéo hai lớp mặt vào trong, ép chúng lại.
Kết quả là một tấm kính có "ứng suất đóng băng" bên trong: hai lớp mặt bị nén, lõi bị kéo, hai lực cân bằng nhau. Tấm kính trông y hệt kính thường nhưng chịu uốn và chịu va đập tốt hơn khoảng 4–5 lần, theo các tài liệu kỹ thuật ngành kính.
Vì thế mọi việc cắt, khoan lỗ phải làm trước khi tôi. Cắt một tấm kính cường lực đã tôi xong là phá vỡ thế cân bằng, tấm kính sẽ nổ tung ngay dưới lưỡi cắt.
Khoảnh khắc vỡ vụn
Kính cường lực vẫn vỡ được. Thường là do va chạm mạnh vào cạnh hoặc góc, nơi lớp nén mỏng và dễ tổn thương nhất, hoặc do một vật cứng nhọn chọc thủng lớp nén ở mặt kính. Ngay khi vết nứt chạm vào vùng lõi đang bị kéo căng, lõi "bung" ra như một chiếc lò xo bị cắt dây. Vết nứt chia nhánh liên tục, lan khắp tấm kính.
Vết nứt trong thuỷ tinh có giới hạn tốc độ, khoảng 1,5 km mỗi giây với kính thông thường. Một tấm kính cửa rộng 1 m vỡ hoàn toàn chỉ trong vài phần nghìn giây. Người đứng cạnh thấy cả tấm kính trắng xoá như được phủ mạng nhện rồi đổ sập xuống thành hàng nghìn viên nhỏ.
Vì sao mảnh vỡ là những viên tròn cạnh
Năng lượng tích trữ trong lõi lớn tới mức vết nứt phải chia nhánh liên tục để tiêu nó, cắt kính thành những viên nhỏ cỡ hạt ngô, cạnh tương đối cùn. Đây chính là lý do kính cường lực được gọi là kính an toàn: vỡ thì vẫn vỡ, nhưng ít gây vết cắt sâu như mảnh kính thường.
Giọt nước mắt Rupert: chiếc đầu không thể đập vỡ
Từ thế kỷ 17, thợ thuỷ tinh ở vùng Đức và Hà Lan đã biết một trò lạ: nhỏ một giọt thuỷ tinh nóng chảy vào xô nước lạnh, nó đông lại thành một giọt hình nòng nọc, đầu tròn và đuôi dài mảnh. Phần đầu chịu được nhát búa đập lên đe mà không hề hấn. Nhưng chỉ cần bẻ gãy cái đuôi mảnh bằng hai ngón tay, cả giọt nổ tung thành bột.
Những giọt này được đưa tới nước Anh vào khoảng năm 1660 và gắn với tên của Hoàng tử Rupert xứ Rhine, người đã mang chúng tới trình vua Charles II. Nhà vua đề nghị Hội Hoàng gia Anh vừa mới thành lập nghiên cứu. Robert Hooke viết về chúng trong cuốn Micrographia năm 1665 và đưa ra một phỏng đoán đúng hướng về ứng suất bên trong, dù phải hơn ba thế kỷ sau mới đo được chính xác.
Ba thế kỷ sau: đo bằng camera và ánh sáng phân cực
Thập niên 1990, nhóm của Munawar Chaudhri (Đại học Cambridge) quay giọt Rupert vỡ bằng camera tốc độ cao, ghi được vết nứt chạy từ đuôi lên đầu với tốc độ khoảng 1,45–1,9 km/s. Giữa thập niên 2010, nhóm này cùng các đồng nghiệp ở Mỹ và Estonia dùng ánh sáng phân cực để đo ứng suất trong đầu giọt, cho thấy lớp vỏ bị nén tới mức hàng trăm megapascal, lớn hơn nhiều so với kính cường lực thông thường. Lớp vỏ nén rất mỏng nhưng cực mạnh: muốn làm vỡ đầu giọt, vết nứt phải xuyên qua được lớp này, điều mà búa thường không làm nổi.
Còn cái đuôi thì quá mảnh, lớp nén ở đó chẳng đáng là bao. Bẻ đuôi là mở một cánh cửa vào thẳng vùng lõi đang bị kéo căng, và vết nứt từ đó chạy ngược lên đầu.
So sánh các loại kính quanh ta
| Loại kính | Cách làm | Khi vỡ | Hay gặp ở |
|---|---|---|---|
| Kính thường (ủ) | Nguội từ từ, gần như không có ứng suất | Mảnh to, sắc | Cửa sổ cũ, khung tranh |
| Kính cường lực tôi nhiệt | Nung rồi thổi lạnh nhanh | Vụn thành hạt nhỏ, cạnh cùn | Cửa kính, vách tắm, mặt bàn, kính sườn và kính sau ô tô |
| Kính dán an toàn | Hai lớp kính kẹp một lớp màng nhựa dẻo | Nứt nhưng mảnh dính vào màng, không rơi | Kính chắn gió ô tô, lan can kính, mái kính |
| Kính cường lực hoá học | Ngâm muối nóng, ion lớn thay ion nhỏ ở bề mặt tạo lớp nén | Tuỳ loại, thường nứt hơn là vụn | Màn hình điện thoại, máy tính bảng |
| Giọt Rupert | Nhỏ thuỷ tinh nóng chảy vào nước | Đầu cực bền, bẻ đuôi thì nổ thành bột | Phòng thí nghiệm, trình diễn khoa học |
Kính cường lực "tự nổ": có thật không
Thỉnh thoảng có tin cửa kính, vách tắm hay mặt bàn kính cường lực tự nhiên vỡ tung lúc không ai chạm vào. Điều này có thật, dù hiếm. Một nguyên nhân được ngành kính biết rõ là các hạt tạp chất niken sunfua cực nhỏ lẫn trong thuỷ tinh. Theo thời gian, chúng đổi cấu trúc tinh thể và nở ra chút ít; nếu hạt nằm đúng vùng lõi đang bị kéo căng, cú nở nhỏ đó đủ để kích hoạt vết nứt. Nhà sản xuất có thể giảm rủi ro bằng phép thử ngâm nhiệt: nung kính đã tôi ở nhiệt độ cao trong vài giờ để những tấm "có vấn đề" vỡ ngay trong xưởng. Nguyên nhân khác là những vết sứt ở cạnh kính khi lắp đặt hoặc va chạm từ trước.
Phép thử an toàn: nhìn thấy ứng suất bằng kính râm phân cực
Bạn không làm được giọt Rupert ở nhà, vì cần thuỷ tinh nóng chảy hơn 1.000 °C; việc đó chỉ dành cho xưởng thổi thuỷ tinh hoặc phòng thí nghiệm có người hướng dẫn. Nhưng bạn có thể nhìn thấy ứng suất đóng băng trong kính cường lực:
- Chuẩn bị một chiếc kính râm có tròng phân cực (nhiều loại kính râm đi biển, câu cá là loại này).
- Vào ngày trời quang, nhìn qua kính râm vào kính sau hoặc kính sườn một chiếc ô tô, sao cho thấy bầu trời phản chiếu hoặc xuyên qua.
- Nghiêng đầu từ từ. Bạn sẽ thấy hiện ra những đốm hay vệt sẫm màu xếp thành hàng đều: đó là dấu vết của các vòi thổi khí lạnh lúc tôi kính, nơi ứng suất khác biệt.
Kính chắn gió phía trước thường là kính dán, nên không có hoa văn rõ như vậy. So sánh hai tấm là một cách tự phân biệt loại kính.
Góc nhìn hôm nay: sống cạnh kính cường lực
Kính cường lực có mặt khắp nơi: vách tắm, cửa ra vào, mặt bàn, lan can. Vài thói quen nhỏ giúp dùng nó an toàn hơn: tránh để vật cứng va vào cạnh và góc kính, không đặt nồi đang sôi trực tiếp lên mặt bàn kính lạnh, kiểm tra các góc kính bị sứt và thay sớm. Với vách tắm, có thể dán màng an toàn để nếu vỡ, các hạt kính dính lại trên màng thay vì đổ ập xuống. Muốn tìm hiểu thêm, các video quay chậm giọt Rupert vỡ của những phòng thí nghiệm đại học là tư liệu rất đáng xem.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao kính cường lực vỡ vụn thành hạt nhỏ?
Vì bên trong kính có ứng suất tích sẵn: hai lớp mặt bị nén, lõi bị kéo. Khi vết nứt chạm vào lõi, năng lượng giải phóng một lượt, vết nứt chia nhánh liên tục và cắt tấm kính thành những hạt nhỏ cạnh cùn.
Giọt nước mắt Rupert là gì?
Là giọt thuỷ tinh hình nòng nọc tạo ra bằng cách nhỏ thuỷ tinh nóng chảy vào nước lạnh. Phần đầu chịu được búa đập, nhưng bẻ gãy phần đuôi mảnh thì cả giọt nổ thành bột trong vài phần nghìn giây.
Kính cường lực cứng hơn kính thường bao nhiêu lần?
Theo tài liệu kỹ thuật ngành kính, kính cường lực tôi nhiệt chịu uốn và va đập tốt hơn kính thường cùng độ dày khoảng 4–5 lần. Điểm yếu nhất của nó là cạnh và góc.
Kính cường lực có tự vỡ không?
Có, dù hiếm. Nguyên nhân thường là tạp chất niken sunfua nở ra theo thời gian hoặc vết sứt ở cạnh kính. Kính đã qua phép thử ngâm nhiệt có rủi ro thấp hơn.
Có cắt được kính cường lực không?
Không. Mọi việc cắt, khoan, mài cạnh phải làm trước khi tôi. Cắt kính đã tôi sẽ phá thế cân bằng ứng suất và tấm kính vỡ vụn ngay.
