Капля принца Руперта — Aeroglass
Маленькие стеклянные капли с тонкими хвостиками, похожие на головастиков и обладающие невероятными прочностными характеристиками были привезены в Англию принцем Рупертом Пфальцским в середине XVII века. Головка стеклянной капли была настолько прочна, что её было практически невозможно разбить, в то же время хрупкий хвост являлся её «Ахиллесовой пятой» – стоило лишь слегка его надломить, как капля тут же взрывалась на миллион кусочков.
Скорее всего, эти необычные стеклянные капли были известны стеклодувам очень давно, однако внимание учёных они привлекли из-за своих необычных свойств именно после демонстрации принцем Рупертом.
Как были открыты эти удивительные капли?
В некоторых источниках указывается, что капли были открыты в Германии в 1625 году, другие указывают на голландского учёного, который плавил стеклянную палочку на горелке и капал расплавленным стеклом в стакан с водой, капли тут же начинали охлаждаться и затвердевать, принимая свою необычную форму головастика с длинным тонким змеевидным хвостом.
Получившиеся капли поразили учёного и он назвал их в честь своей родины Батавии – Батавские слёзки.
Однако свою широкую известность слёзки получили именно после того, как принц Руперт Пфальцский продемонстрировал их королю Великобритании Карлу II. Короля на столько увлекли капли, что он поручил Королевскому научному сообществу исследовать их удивительные свойства. С тех пор Батавские слезки начали называть стеклянные капли принца Руперта. Очень долго способ их изготовления содержался в строжайшей секретности, при том, что их мог купить любой желающий в качестве забавного сувенира.
Почему капля взрывается и откуда у неё образуется невероятная прочность?
На сегодняшний день благодаря современным технологиям и высокоскоростной съёмке уже научно доказаны необычные свойства капель принца Руперта. Всё дело в том, что попадая в холодную воду, капля расплавленного стекла начинает быстро охлаждаться. Охлаждаясь, стекло переходит в твёрдое состояние и начинает сжиматься.
С одной стороны, остывшие внешние слои сжимают каплю, с другой стороны раскалённое, ещё не успевшее остыть ядро её наоборот расширяют, занимая больший объём. В этот момент образуются очень тесные межмолекулярные связи и увеличивается плотность сжатых слоёв. Когда внутренняя температура капли снижается и ядро начинает остывать, оно тоже начинает сжиматься и застывать, но теперь ему оказывает сопротивление внешний уже застывший слой. В итоге между слоями образуется огромное механическое напряжение.
Именно возникшие огромные напряжения между оболочкой и ядром сопротивляются любой силе удара. Но стоит лишь надломить хрупкий хвостик капли, она мгновенно взорвётся на миллионы кусочков. Всё дело в том, что застывая стеклянный хвост охлаждается как верхний слой, но не имеющий раскалённого ядра. Поэтому, надламывая хвостик, мы разрушаем целостность верхнего слоя и его напряжение, что позволяет внутреннему давлению расширения мгновенно высвободиться, образовав микровзрыв. Это давление настолько велико, что взрыв происходит в 4 раза быстрее скорости звука.
Какими характеристиками обладает стекло капли принца Руперта?
Проводя исследования, учёным удалось выяснить, что сила сжатия внешней оболочки превышает атмосферное давление в 7000 раз, при том, что верхний слой очень тонкий и составляет всего 10% от всего тела капли.
Так же удалось установить причину взрыва капли – необходимо, чтобы микротрещины, вызывающие структурное разрушение верхнего слоя капли, достигли ядра с его напряжением расширения. Именно поэтому при ударах молотком и других механических воздействиях на головку капли, микротрещины рассеиваются по верхнему слою, не достигая внутренней зоны напряжения расширения. Разрушая хвостик, микротрещинам удаётся достигнуть ядра, поэтому происходит высвобождение напряжения, что влечёт за собой взрыв.
Современное применение эффекта капли принца Руперта.
Сегодня эффект капли принца Руперта успешно применяется в промышленности в самых различных областях. Именно таким способом получают закалённое стекло – путём его нагревания в печах до температур 650-680 ̊С и охлаждением верхних слоёв.
В результате стекло получается очень прочным и способным выдерживать большие нагрузки.
Так, например, закалённые стёкла используются при изготовлении автомобильных стекол. Кроме того, что такие стёкла выдерживают большие нагрузки, они так же являются безопасными для человека. В случае разрушения они рассыпаются на мелкие осколки со скруглёнными краями и не способны причинить серьёзных травм. В то время как обычное стекло разбиваясь, образует большие осколки с острыми краями, которые способны нанести серьёзные порезы.
СВЯЖИТЕСЬ С НАМИнаш консультант с радостью ответит на все ваши вопросы
Заявка на расчет стоимости
Капля принца руперта и ее необычные свойства
Слеза принца Руперта, батавские или голландские капли, слеза дьявола — все это имена одного и того же физического явления.
Круглая часть такой слезы — сверхпрочное стекло, а ее хвост — ее Ахиллесова пята, которая, обламываясь, превращает всю конструкцию в пыль.Как открыли каплю Принца Руперта
Некогда в Голландии, незнакомый нам ученый провел некий интересный эксперимент. Он плавил палочку из стекла на мощной горелке, а жидкие расплавленные капельки стряхивал в емкость с обыкновенной водой. Стеклянные капли, застывая в холодной воде, приобретали причудливую форму, напоминающую головастиков с округлой головкой и тоненьким змеевидным хвостом. Открытие впечатлило исследователя, и он дал своему открытию имя — Батавские слезки в честь Батавии — былого названия своей родины. Как оказалось, этим открытие ученого не ограничилось, потому что позже он обнаружил их любопытнейшее свойство.Считается, что стекло — достаточно хрупкий материал.
Но свойство этих стеклянных капель таково, что даже при многочисленных ударах молотком по округлой части, они не разбиваются. При этом, если во время эксперимента подложить данную каплю под пресс на металлическую пластину, то на ней останется каплевидный отпечаток. Но стоит лишь надломить кончик ее тонкого хвоста, и она мгновенно взрывается на миллион мельчайших осколков.Так или иначе, широкую известность Батавские слёзки получили после того, как британский герцог Руперт Пфальский преподнес их в качестве диковинного подарка королю Великобритании Карлу II. После король поручил Королевскому научному сообществу исследовать их таинственную и забавную природу. В честь принца Пфальского Батавские слезки начали именовать не иначе как стеклянные капли принца Руперта. Способ их создания содержался в строжайшей секретности долгое время, но зато их мог купить каждый желающий как потешный сувенир.Почему взрывается капля принца Руперта
На сегодняшний день уже научно доказаны причины необычного поведения стеклянных капель.
Дело в том, что попадая в холодную воду, стеклянные капли быстро застывают. Внутри каждой из них образуется высокое механическое напряжение. Если представить, что капля состоит из оболочки и ядра, можно понять, что застывать она начинает сначала у поверхности, то есть ее оболочка уменьшается и сжимается в то время, как ядро продолжает быть горячим и жидким.Когда внутренняя температура капли снижается, то ядро также начинает сжиматься, но теперь возникает сопротивление за счет внешнего застывшего слоя. Тесные межмолекулярные связи позволяют ему сдавливать ядро, занимающее уже больший объем.Между оболочкой и ядром возникает очень сильное напряжение, соответственно — сжатия на внешнем слое и растяжения — на внутреннем. Если опустить расплавленное стекло в слишком холодную воду, то уровень напряжения достигнет максимума и позволит внутренней части капли отделиться от наружной, образовав пузырек.
Именно внутренние силы напряжения сжатия и растяжения сопротивляются любой силе удара.
Отломив “хвостик” капли, мы разрушим верхний слой, что позволит внутреннему давлению растяжения заработать в полную силу, и стеклянную каплю разнесет в пыль. Это внутреннее напряжение настолько велико, что взрыв происходит буквально за один миг. Поэтому, проводя эксперимент, обязательно запаситесь защитными очками.Недавно группа ученых из разных уголков мира задалась целью “докопаться” до истины и выяснить, почему и как именно происходит взрыв при обламывании хвоста капли принца Руперта.
Дело в том, что при повреждении внешней оболочки, появляется трещина, проникающая прямо в “сердце” капли, где концентрируется та самая сила напряжения.
Также исследователи установили, что для того, чтобы капля принца Руперта взорвалась, требуется, чтобы трещины достигли ее центра. При ударах молотком или при любом другом воздействии на головку капли, трещины рассеиваются по ее поверхности, не проникая в зону внутреннего растяжения. Именно этим объясняется прочность шарика. При разрушении “хвостика” трещинам удается проникнуть во внутреннюю часть стеклянной слезы, что влечет за собой взрыв.
Современное применение эффекта капли принца Руперта
Принцип поведения капли принца Руперта уже успешно применяется в промышленности. Такое стекло знакомо всем, как “закаленное”.Ранее производились “закаленные стаканы”. Их можно было без зазрения совести ронять на пол — оно никогда не разбивалось при ударе. Но случайно появившаяся на краю щербинка могла спровоцировать его взрыв в любое время. Поэтому с такой посудой стоило обращаться еще более бережно, чем с обыкновенным стеклом.
По аналогичному принципу сегодня изготавливают автомобильные стекла.
Помимо того, что оно обладает более высокой прочностью, у него есть еще одно важное преимущество для безопасности пассажиров — в случае повреждения, оно рассыпается на мелкие кусочки с закругленными краями. Сырые стекла разбиваясь, образуют острые и большие осколки, которые могут серьезно поранить.Из закаленного стекла производятся боковые и задние окна, лобовые же делают путем склеивания нескольких слоев такого стекла при помощи специальной полимерной пленки, что в случае аварии не даст им разлететься вообще.
Видео о эффекте капли принца Руперта
Уважаемый посетитель, Вы зашли на сайт как незарегистрированный пользователь. Мы рекомендуем Вам зарегистрироваться либо зайти на сайт под своим именем.
Почему капли принца Руперта такие сильные
- Для стекловаров капли принца Руперта просты в изготовлении и могут разбить пулю.
- То, как капля горячего стекла остывает в воде, является секретом ее прочности.
- Физические свойства, которые делают падение таким прочным, применимы для тонких, но прочных защитных поверхностей.
Капля принца Руперта, состоящая из стеклянных слезинок, которые удлиняются в тонкий хвост, выглядит как изящный, прозрачный головастик. Защелкнуть хвосты достаточно легко, но вот закругленная капля на самом верху? Кажется невероятно сильным. Его не сломаешь ударом молота.
Если стеклодув капает расплавленным стеклом в холодную воду, оно замерзает в шарик с очень длинным хвостом. Подобно Единому кольцу Саурона, его нельзя сломать сильным ударом чего-то столь же сильного, как топор. На самом деле вам нужна скорость и сила пули, чтобы разбить ее. Сумасшествие в том, что даже пуля может развалиться, когда попадет в каплю. Посмотрите видео в начале статьи от SmarterEveryDay.
Когда пуля задевает луковицу самой капли, вы можете увидеть, как белая линия отрывается от хвоста и мчится вниз по капле.
Это бегущая ударная волна. Два фактора: прочность на сжатие, заложенная в капле во время ее образования, и остаточное напряжение от удара вызывают почти мгновенное разрушение гладкого стекла. Через долю секунды — потрясающая последовательность, видимая со скоростью 100 000 кадров в секунду, — весь объект испаряется в искрящийся дым. Вместо того, чтобы взрываться во всех направлениях, стекло разбивается на месте, потому что сжатие и напряжение снимаются одновременно.
Сама пуля разбивается из-за того, что стеклянная головка высвобождает сжимающую силу. Осколки пуль разлетаются в разные стороны, вонзаясь в стену позади установки.
Вот объяснение волшебства
Стекло плавится при температуре от 2552 до 2912 градусов по Фаренгейту. Когда стеклодув бросает шарик расплавленного стекла в резервуар с водой, как показано на втором видео, его поверхность быстро остывает, почти мгновенно образуя затвердевшую оболочку вокруг жидкой внутренней части, подобно яичному белку, готовящемуся быстрее, чем желток внутри.
Расплавленное стекло внутри продолжает остывать и втягиваться, максимально втягивая внешний слой внутрь. Внутреннее ядро становится сильно сжатым, что создает невероятное напряжение в капле. Это сила сжатия, которая связывает слои, образуя прочный амортизатор из стекла. Поверхностное натяжение помогает удерживать каплю вместе.
Капли принца Руперта может быть забавно ломать, но они также дают возможность усилить полезные предметы. Например, наши мобильные устройства могут быть защищены прочным стеклом особого типа.
Посмотреть полный пост на Youtube Пара в видеоролике Corning демонстрирует стекло Gorilla Glass, тонкий лист, казалось бы, хрупкого стекла, но на самом деле очень прочного. Corning разработала стекло, используя те же принципы прочности на сжатие, которые делают каплю принца Руперта настолько сложной для разрушения. Это сделано, чтобы быть жестким благодаря процессу под названием ионообмен .
При производстве стекла на поверхности образуются мелкие ионные частицы. Обычно это электрически заряженные атомы натрия. Чтобы сделать поверхность более жесткой, стекло погружают в раствор соли, в результате чего более крупные ионы калия меняются местами на поверхности стекла с более мелкими ионами. Эти более крупные частицы создают давление на внутренние части листа стекла, плотно сжимая его.
В отличие от Капли принца Руперта, Gorilla Glass можно модифицировать во время производства, чтобы контролировать натяжение внутри стекла, чтобы оно не слишком сильно конкурировало с силой сжатия. Когда силы уравновешены, стекло становится прочнее. Он по-прежнему не является нерушимым, но в будущем он может добавить защитный слой к таким объектам, как мобильные телефоны. Если вы уроните телефон на тротуар, вы сможете вздохнуть спокойно, если на нем будет тонкий слой стекла Gorilla Glass.
Вот дополнительное видео с еще более приятными осколками капель принца Руперта.