Парадокс капли принца Руперта
Капля принца Руперта — стеклянный артефакт, обладающий двумя противоположными друг другу свойствами: он чрезвычайно прочный и чрезвычайно хрупкий одновременно.
Капля похожа на головастика с луковицеобразной головкой и длинным, тонким хвостом. Головка настолько прочная, что способна выдержать удар молотка, а пули, выпущенные в неё в упор, разрушаются при ударе — да, именно пули, а не стекло. Тем не менее, если вы щёлкните пальцем по хвосту капли, это превратит всю каплю, включая прочную стеклянную головку, в порошок.
Капли принца Руперта (также известные как «батавские слёзки» и «болонские склянки») образуются путём попадания жидкого стекла в холодную воду, в результате чего внешняя поверхность капли затвердевает немедленно, а стекло внутри неё по-прежнему остаётся расплавленным. Охлаждённый внешний слой пытается сократиться, в то время как расплавленный внутренний слой пытается расшириться. В процессе кристаллизации противоположные силы, действующие на головку капли, делают её необычайно прочной и хрупкой одновременно.
Капли принца Руперта впервые были обнаружены в Германии в 1640-х годах. Первоначально они были созданы стеклоделами из Мекленбурга (Северная Германия) и продавались в качестве игрушек и диковинок по всей Европе, где их называли по-разному: например, «прусскими слёзками» или «голландскими слёзками». Стеклоделы тщательно охраняли свой секрет, что привело к возникновению целого ряда теорий относительно того, как производились капли.
Учёный-любитель из Англии, герцогиня Маргарет Кавендиш, после нескольких недель экспериментов с десятками образцов в своей лаборатории, пришла к выводу, что в головку капли вводили небольшое количество летучего материала, который бурно реагировал на контакт с воздухом.
В 1660 году принц Руперт Пфальцский, герцог Камберлендский и один из основателей Королевского общества, привёз с собой несколько стеклянных капель, чтобы продемонстрировать их учёным и королю Карлу II.
Как вы, наверное, уже догадались, они были названы в его честь.
Роберт Гук, который отвечал за проведение экспериментов перед членами общества, сделал важный прорыв, предположив, что именно охлаждение стекла после погружения в воду вызывало странное свойство капель, хотя более полное понимание механики стало доступным лишь спустя три столетия.
Лишь в 1994 году учёные из Университета Пердью и Кембриджского университета, используя высокоскоростную кадрирующую съёмку, чтобы пронаблюдать процесс разрушения капли, пришли к выводу, что поверхность каждой капли испытывает высокую компрессионную нагрузку, в то время как внутренняя часть находится под влиянием сил высокого напряжения — в состоянии неравномерного равновесия, которое можно легко нарушить, сломав хвост. Эксперименты показывают, что луковичная головка способна выдержать силу сжатия до 7000 килограмм на сантиметр квадратный.
В дальнейшем, сотрудничая с Таллинским технологическим университетом в Эстонии, исследователи обнаружили, что для того чтобы разбить каплю, нужно создать трещину, способную проникнуть в зону её внутреннего напряжения. Наружный компрессионный слой очень тонкий: он составляет всего около 10 процентов диаметра головки капли, однако обладает невероятно высокой прочностью. Поскольку трещины на поверхности, как правило, разрастаются параллельно поверхности, они не могут попасть в зону напряжения. Но если хвост треснет, трещины попадут в зону напряжения и высвободят всю накопленную энергию, заставив каплю разрушиться.
Закалённое стекло, которое, как правило, используют при производстве автомобилей и мобильных телефонов, делают по такому же принципу. Его быстро охлаждают в расплавленном виде при помощи холодного воздуха, создавая внутреннее напряжение, которое позволяет поверхности оставаться сжатой всё время.
Сжатие предотвращает разрастание трещин, но когда стекло окончательно разбивается, оно рассыпается на тысячи мелких кусочков. Вот почему лобовые стёкла автомобилей при ударе разбиваются на мелкие кусочки, однако они покрыты специальным слоем клея, который предотвращает попадание частиц в салон автомобиля и нанесение травм пассажирам.
«Растягивающее напряжение — это то, что обычно приводит к разрушению материалов способом, аналогичным разрыву листа бумаги пополам, — говорит Коушик Вишванатан из Университета Пердью. — Но если вы измените растягивающее напряжение на сжимающее, тогда вы затрудните разрастание трещин, и это именно то, что происходит в головке капли принца Руперта».
Источник: amusingplanet.
com« Вернуться назад | Все новости | Следующая новость »
Капля Руперта — что это?
Английская знать ХVII века слыла любознательной и не чуралась науки. Король Карл II так даже и умер от увлеченности алхимией: уже в наше время в его волосах обнаружили ртуть в концентрации, несовместимой с жизнью. Кузен Карла II, принц Руперт, славился страстью к научным диковинам как теоретического, так и практического характера.
Этот-то принц Руперт, он же герцог Рупрехт фон дер Пфальц, привез в Лондон стеклянные отливки в форме капель с длинными искривленными хвостиками. Преподнеся их в дар королю, Руперт рассказал, что это – недавнее германское изобретение, и что прочность стеклянных капель превосходит прочность стали.
Способ производства Руперт от короля скрыл, сославшись на незнание.
Хотя теперь мы понимаем: молчал принц исключительно ради пущей таинственности…
Карл II отдал полученные капли на анализ в Королевское Научное Общество. С этого момента и началась слава капель Руперта.
Свойства капли Руперта
Прочность невиданных дотоле стекляшек удивила английских ученых. Капля Руперта выдерживала даже удар дюжего кузнеца, причем на стали наковальни и молота оставались вмятины. Разве может стекло обладать подобной твердостью и прочностью? – дивились придворные ученые.
Прочность стеклянных капель Руперта была, однако, неравномерной. Если головка капли выдерживала любой удар, хвостик – особенно кончик хвостика – отличался высокой уязвимостью. Самое странное, что разрушение хвостика вело к моментальному распаду всей стеклянной отливки! Причем распаду взрывному, с мгновенным разлетом мельчайших осколков!
Члены Королевского Научного Общества разослали письма с вопросом о природе необычного стекла во все доступные пределы.
Популярность необычной игрушки среди лондонской знати стала расти. Принц Руперт сделал неплохой бизнес, то продавая удивительные стеклянные капли задорого, то укрепляя связи при помощи интересных подарков.
Вскоре ситуация стала проясняться…
Капли Руперта родом из …?
Принц никогда не настаивал на своем авторстве забавной безделушки, а честь изобретения стеклянных капель приписывал немецким ремесленникам. Выяснилось, однако, что в близкой Голландии подобные диковины знают давно – знают и делают на потеху публике. Мало того, голландцы возят капли стекла по свету, и везде их зовут «батавскими слезками», по имени верфи «Батавия» на берегу залива Зейдерзее.
По сведениям, полученным от голландцев, датчане начали забавляться каплями Руперта раньше немцев – но в Данию секрет изготовления прочных стеклянных отливок пришел из Италии.
Весь юг Европы знает их как «болонские склянки» и ничего сложного в изготовлении капель из стекла не видит.
Капли Руперта – это просто!
Чтобы получить капли характерной формы и небывалой прочности, сообщили стеклоделы, достаточно разогретое до текучей вязкости стекло капнуть в емкость с холодной водой. Затвердевшая отливка и есть болонская склянка, она же капля Руперта – с точки зрения серьезных ремесленников пустая безделица и перевод дорогого материала.
Проведя ряд опытов, ученые лондонского Королевского Общества определили: для получения наиболее удачных капель Руперта стекло следует брать возможно более чистое, и нагревать его не выше чем до степени полного размягчения – иначе упавшая в воду капля покрывается трещинами.
На том и удовлетворились…
Современный взгляд на капли Руперта
Физика объясняет появление капель Руперта результатом давно известной закалки – технологии, широко применимой к изделиям из стали, но в данном случае касающейся стекла. Аморфное по своей структуре, полужидкое стекло затвердевает без кристаллизации, но с уменьшением объема.
Быстрое остужение стеклянной капли в среде, эффективно понижающей температуру, приводит к уплотнению наружных слоев тела, сжатию массива с одновременным растяжением еще горячей сердцевины отливки.
Прочность капли Руперта вовсе не беспредельна, и всего лишь вчетверо превышает прочность стекла, изготавливаемого по обычным технологиям.
Однако показатели прочности сильно зависят от состава стеклянной шихты, и плотное кварцевое стекло в закаленном виде и капельной форме действительно способно противостоять ударам кузнечного молота.
Но только если не бить по тонкому хрупкому хвостику капли Руперта!
Разбить каплю Руперта
Разбить каплю Руперта несложно. Если отломить, отбить, отстрелить тонкий стеклянный хвостик капли Руперта, она вся и мгновенно разлетается практически пылью! Причем скорость и дистанция разлета мельчайших осколков капли таковы, что опасность поражения кожи и глаз наблюдателя – весьма реальна.
Именно поэтому, кстати, в стародавней Европе капля Руперта довольна быстро перекочевала из разряда забавных диковин в разряд опасных развлечений.
Современные экспериментаторы не прекращают опытов с каплями Руперта. Особенно зрелищными выглядят попытки разрушения стеклянных капель выстрелом из винтовки. Мягкая свинцовая пуля бьет по головке капли Руперта с силой, значительно превышающей силу удара кузнечного молота, однако разбить закаленное стекло пуля не в силах.
Возникающая в стеклянном массиве ударная волна оказывается губительной для тонкого хвостика капли Руперта. Когда колебательный импульс проходит по тонкому стеклу, возникают быстро расширяющиеся трещины. Со скоростью более чем 1 км/с трещины разрастаются по всему телу капли, множатся, расширяются и фактически взрывают стекло.
Взрывное свечение капли Руперта
Особенно интересным видится световой всполох, сопровождающий волну распада закаленного стекла.
Явление свечения такого рода носит название триболюминесценции. Возникает триболюминесценция, в отличие от привычной люминесценции, не в толще материала, а в пограничной среде.
Голубовато-красные всполохи триболюминесценции распадающейся капли Руперта суть есть свечение атомов атмосферных газов, возбуждаемых слабыми электрическими разрядами. Генерируется электричество молекулами кварца, испытывающими механическую нагрузку.
Что такое капля принца Руперта?
`;
Наука
Факт проверен
Капля принца Руперта — очень интригующая стеклянная диковинка, обладающая рядом необычных свойств.
Эти стеклянные странности также известны как голландские слезы, слезы Батавии, слезы царя или шары принца Руперта, и их часто выставляют в музеях стекла. Точная природа Капли принца Руперта некоторое время оставалась загадкой; только после разработки высокоскоростного видео люди действительно поняли, что происходит, когда капля принца Руперта разбивается.
Чтобы сделать Каплю принца Руперта, небольшой кусочек расплавленного стекла кладут в ведро с очень холодной водой, пока стекло еще горячее. Стакан имеет характерную каплевидную форму с толстой головкой и длинным изогнутым хвостом.
Холодная вода заставляет внешнюю часть стекла охлаждаться очень быстро, в то время как горячее стекло внутри головы остывает дольше. По мере охлаждения она сжимается и создает напряжение в Капле принца Руперта.
Как бы вы ни старались, вы не сможете сломать голову Капле принца Руперта. Стекло можно бить молотком, зажимать плоскогубцами и подвергать различным механическим испытаниям, но стекло все равно будет держаться, потому что состояние напряжения настолько велико. Однако, если хвост Капли принца Руперта каким-либо образом поврежден, весь объект взорвется, потому что напряжение было снято.
И «взорваться» — действительно правильное слово, так как капля принца Руперта взрывается, когда повреждается хвост.
Капля принца Руперта названа в честь принца Руперта Рейнского, немецкого принца, которому приписывают создание этой стеклянной диковинки. Согласно легенде, принцу Руперту нравилось использовать Каплю принца Руперта в качестве розыгрыша, вручая ее членам двора, а затем дергая за хвост, чтобы стекло взорвалось в руке неосторожной жертвы. Можно предположить, что после этого люди стали опасаться принимать подарки от веселого принца.
Механизм «Капли принца Руперта» довольно интересен, и этот образец новой стеклянной посуды представляет собой раннюю версию закаленного стекла, которое сейчас используется для изготовления самых разных вещей, от лабораторной посуды до автомобильных стекол.
Вы можете увидеть демонстрации капель принца Руперта во многих научных музеях и музеях стекла, если вам интересно; если у вас нет опыта работы со стеклом, этот трюк не следует применять дома, так как осколки стекла могут быть очень опасны, особенно при вдыхании.
С тех пор как несколько лет назад Мэри начала работать над сайтом, она приняла
захватывающая задача быть исследователем и писателем AllTheScience. Мэри имеет степень по гуманитарным наукам в Годдард-колледже и
проводит свободное время за чтением, приготовлением пищи и прогулками на свежем воздухе.
С тех пор как несколько лет назад Мэри начала работать над сайтом, она приняла захватывающая задача быть исследователем и писателем AllTheScience. Мэри имеет степень по гуманитарным наукам в Годдард-колледже и проводит свободное время за чтением, приготовлением пищи и прогулками на свежем воздухе.
Вам также может понравиться
Рекомендуется
КАК ПРЕДСТАВЛЕНО НА:
Капли принца Руперта — EMMA J. LIU
Соавторы: Кэти Кэшман, Элисон Раст и Bristol Blue Glass Капли принца Руперта (PRD) представляют собой стеклянные бусины в форме головастиков, которые известны своими необычными свойствами разрушения: головка капли очень прочная, но вся капля взрывается, если сломать хвост. Рис. 1, 2. Если смотреть через поляризационный фильтр в оптический микроскоп, внутренние напряжения в капле принца Руперта проявляются в виде красочных полос двойного лучепреломления, которые можно использовать для количественной оценки накопленной энергии. Обратите также внимание на то, как наличие пузырьков влияет на поле внутренних напряжений. |
Эти свойства обусловлены остаточными термическими напряжениями в стекле, которые вмораживаются при быстром охлаждении капель расплавленного стекла в воде (рис. 1, 2). Различная скорость охлаждения и сжатия создает режим внутренних напряжений, при котором внешняя часть капли находится в состоянии сжатия, а внутренняя часть находится в состоянии растяжения. Разрушение хвостовой части PRD обнажает натянутый сердечник и инициирует волну разрушения, которая распространяется к голове падения от точки разрушения. Наше исследование сосредоточено на том, как образуется вулканический пепел во время извержений вулканов, и в частности, почему образуется так много мелкодисперсного пепла, когда вулканы извергаются через воду или лед.
Используя Капли Принца Руперта в качестве аналога того, как магма охлаждается во время этих «гидромагматических» извержений, мы исследуем, способствуют ли термические напряжения (например, те, которые делают Капли Принца Руперта такими взрывоопасными) выбросу мелкозернистого вулканического пепла в атмосферу. .
Затухание силикатных расплавов водой также происходит, когда восходящая магма извергается через мелководье. Эти энергичные взаимодействия магмы и воды производят гораздо большее количество мелкодисперсного пепла, чем эквивалентные «сухие» извержения. Частицы пепла, образовавшиеся во время этих извержений, часто имеют несколько генераций трещинных поверхностей. Блочная морфология пирокластов и сложный характер разрушения предполагают, что фрагментация происходит главным образом по хрупким механизмам, хотя частицы с более текучей формой «стеклянных шариков» не являются редкостью. Фрагменты, образовавшиеся в результате взрывной дезагрегации PRD, имеют сходные глыбовые и пластинчатые формы и поперечно-полосатые ступенчатые изломы.