1. Una bala contra una grieta: ¿cuál es más rápida en el experimento de The Slow Mo Guys?
Los creadores de videos The Slow Mo Guys midieron la velocidad de la punta de una grieta en vidrio fino y la compararon con la de una bala usando la misma cámara de alta velocidad. La primera toma se grabó a 80,000 cuadros por segundo. Los resultados mostraron que la punta de la grieta viajaba a unos 1436 m/s (aproximadamente 3214 mph), mientras que la bala lo hacía a unos 343 m/s (768 mph) [4].
Si dividimos 1436 entre 343, obtenemos aproximadamente 4.2. Esto significa que, en ese caso específico, la grieta era unas 4 veces más rápida que la bala. Sin embargo, esto fue una sola medición en un video para el público general. Como los valores cambian según el tipo y grosor del vidrio, es seguro decir simplemente que las grietas en el vidrio pueden alcanzar velocidades de más de 1000 m/s [4]. Pero, ¿cómo logramos ver con nuestros ojos un fenómeno que se mueve tan rápido?
2. Cómo la cámara lenta permite ver el instante en que se rompe un vidrio
Dado que la punta de la grieta avanza a unos 1436 m/s, cruzar una ventana de 1 metro le toma apenas 0.0007 segundos. A nuestros ojos, esto es solo el momento en que se rompe. Para hacer visible este movimiento, se utilizan cámaras de alta velocidad. Al grabar a 80,000 cuadros por segundo, la distancia entre un cuadro y el siguiente es de una ochenta milésima de segundo. En ese breve lapso, la grieta avanza unos 1.8 cm (calculado como 1436 ÷ 80000). Así, cruzar una ventana entera se puede ver en decenas de cuadros [4].
También existen otras técnicas para detener lo invisible. Harold Edgerton (1903-1990), profesor de ingeniería eléctrica en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) en Estados Unidos, usó destellos de luz estroboscópica intensos para fotografiar momentos como una gota de leche cayendo en un plato o una bala atravesando una manzana [4]. El Centro Edgerton del MIT indica que la luz del estroboscopio puede durar hasta una millonésima de segundo. Si tomamos ese tiempo, la grieta avanzaría unos 1.4 mm (1436 × 0.000001) [4]. Pero, ¿la punta de la grieta siempre avanza como una sola línea recta?
3. Por qué las grietas tienen un límite de velocidad y se ramifican al superarlo
Existe un "límite teórico" para la velocidad de las grietas, determinado por la velocidad de las ondas que viajan a través del material. En materiales como el vidrio o el acrílico (PMMA), se dice que la velocidad máxima real de una grieta es aproximadamente la mitad de ese límite teórico; según los datos, esto varía entre 0.5 y 0.7 veces el límite [4].
Se considera que la ramificación de la punta de la grieta (llamada micro-ramificación) comienza a aparecer cuando la velocidad alcanza cerca del 40% de ese límite teórico [4]. Es decir, si la grieta se acelera demasiado, su punta puede dividirse en varias ramas. Esto significa que cuanto más rápido va, menos simple es la línea de fractura. Pero, ¿qué pasa si guardamos fuerzas dentro del vidrio antes de romperlo? Existe un tipo de vidrio donde esto ocurre.
4. Las gotas de Ruperto: por qué la cabeza resiste y la cola se rompe
Las gotas de Ruperto (también llamadas lágrimas holandesas) se hacen dejando caer vidrio fundido en agua fría para enfriarlo rápidamente. La parte exterior se solidifica y contrae primero, mientras que el interior, al solidificarse después, tira hacia afuera. Esto deja la superficie externa comprimida fuertemente y el interior bajo tensión [4].
La cabeza redonda es tan resistente que es difícil de romper incluso golpeándola, pero la cola delgada es un punto débil. Si se daña ligeramente la cola, una grieta viaja desde allí hacia la cabeza y toda la gota se desintegra explosivamente [4]. La velocidad de esta desintegración se midió en 1994 mediante filmación de alta velocidad entre 1450 y 1900 m/s [4]. La Sociedad Americana de Cerámica menciona una velocidad máxima de 4200 mph (aproximadamente 1880 m/s) [4]. Como hay variaciones según la fuente, no se fija un único valor exacto. Ambas cifras están en el rango de "miles de metros por segundo", similar a las grietas del vidrio fino visto antes, y son unas 5 veces más rápidas que una bala (aproximadamente 343 m/s). Esta idea de "fuerzas almacenadas" también se usa en el vidrio cotidiano.
5. Cómo el vidrio templado usa fuerzas internas para ser más resistente
El vidrio templado es vidrio plano tratado con calor o productos químicos para crear una capa de compresión en la superficie [4]. La superficie del vidrio tiene pequeños rasguños invisibles a simple vista, desde donde suelen comenzar las grietas. Si la superficie está comprimida, la compresión de la superficie dificulta que las grietas se propaguen, haciendo que sea más difícil de romper que el vidrio común.
Aun así, cuando se rompe, produce fragmentos pequeños y granulares. Se cree que esto ocurre porque, al estar la superficie comprimida y el interior en tensión, se forman muchas grietas al romperse [4]. Un estudio de 1991 de la Sociedad de Materiales de Japón analizó dónde cambian los fragmentos del vidrio templado térmico. Asumiendo una velocidad de punta de grieta de 1500 m/s y una velocidad de onda elástica desde el borde de 3300 m/s (valores supuestos, no medidos), encontraron que el punto donde cambia la finura de los fragmentos coincide con el lugar donde chocan la punta de la grieta y las ondas del borde [4]. La relación de velocidades usada en este análisis es 1500 ÷ 3300, aproximadamente 0.45.
En 2021, AGC y la Agencia Japonesa de Ciencia y Tecnología Marina y de la Tierra (JAMSTEC) publicaron un método para reproducir numéricamente cómo se rompen los vidrios templados químicamente. Antes de esto, se decía que era necesario probar por ensayo y error para optimizar las fuerzas del temple [4]. Además de capturar el momento con cámaras, ahora también existen métodos de cálculo numérico.
6. Cómo probar la cámara lenta de tu celular con gotas de agua
Puedes probar esto con gotas de agua. Llena un vaso con agua y graba cómo las gotas caen en la superficie usando la función de cámara lenta de tu teléfono. Verás un tipo de "instante" similar al que fotografió Edgerton con la leche. Para evitar derrames, coloca un trapo o periódico sobre la mesa.
Para entender la velocidad mediante el cálculo: si tu celular graba en cámara lenta a 240 cuadros por segundo (esto varía según el modelo), la distancia entre cuadros es de aproximadamente 1/240 segundos. En ese tiempo, una grieta que viaja a 1436 m/s avanzaría unos 6 metros (1436 ÷ 240). Una grieta que cruza una ventana entera quedaría atrapada dentro de un solo cuadro. Esto demuestra que para ver grietas se necesitan herramientas diferentes, como las de 80,000 cuadros por segundo [4].
No intentes romper vidrio tú mismo para experimentar. Romper vidrio es peligroso y requiere mucho cuidado al recoger los pedazos.
Si quieres leer más o comparar, graba otros "instantes" cercanos con tu celular. Además de las gotas de agua, observa cómo se desinfla un globo o cómo rebota una pelota; cuadro por cuadro verás cambios en la forma. Si calculas cuántos centímetros se movió el objeto en cada cuadro usando el número de cuadros, también puedes estimar su velocidad.