Skleněné slzy. Zajímavá vlastnost kapky prince Ruperta (video). Rupertovy kapky pocházejí z...

Kulička prince Ruperta vypadá jako skleněný pulec vytvořený začínajícím sklářem, ale je tak pevný, že ho nelze rozbít ani kladivem. Stačí ji však lehce praštit o „ocásek“ a rozpadne se na prášek. Příčinu takových nevysvětlitelných kvalit se vědci snažili najít téměř 400 let a nyní má tým výzkumníků z University of Cambridge a Tallinn University of Technology v Estonsku konečně odpověď.

Batávské slzy nebo kapky prince Ruperta se poprvé objevily v 17. století a proslavily se, když princ Rupert Bavorský daroval pět těchto drobností anglickému králi Karlu II. V roce 1661 byly předloženy ke studiu Královské společnosti, ale i přes téměř čtyři staletí výzkumu bylo vysvětlení jejich podivných vlastností nalezeno až nyní. Kapky jsou vyrobeny z roztaveného skla s vysokým koeficientem tepelné roztažnosti a jsou ponořeny do nádoby se studenou vodou. Roztavené sklo okamžitě tuhne v charakteristickém tvaru kapky.

Ke studiu kapek prince Ruperta použili vědci techniku, kdy je průhledný 3D objekt umístěn do ponorné lázně tak, aby jím procházelo polarizované světlo. Změny v polarizaci světla v objektu odpovídají napěťovým čarám. Předchozí práce fyziků z Tallinnu a Cambridge, provedené již v roce 1994, zahrnovaly natáčení exploze kapky rychlostí téměř milionu snímků za sekundu. Na videu můžete vidět, jak se po poškození „ocasu“ šíří trhliny kapku po kapce rychlostí asi 6500 kilometrů za hodinu.

Nová studie ukázala, že tlaková napětí skla v „hlavě“ kapky jsou asi 50 tun na čtvereční palec, díky čemuž je pevná jako ocel. To se děje proto, že vnější strana kapky se ochlazuje rychleji než vnitřek. Na střed „hlavy“ kapky je tedy vyvíjen obrovský tlak, který je kompenzován protažením.

Dokud tyto síly zůstanou v rovnováze, pád je velmi silný a vydrží značné zatížení. Pokud je však „ocas“ poškozen, tato rovnováha je narušena a mnoho malých trhlin se šíří rovnoběžně s jeho osou. Děje se to tak vysokou rychlostí, že to připomíná výbuch.

Podmíněně vyčleňme vnější vrstvu a vnitřní jádro v kapce. Kapka se ochlazuje z povrchu a její vnější vrstva se smršťuje a zmenšuje objem, zatímco jádro zůstává tekuté a horké.

Po poklesu teploty uvnitř koule se jádro také začne smršťovat. Ale již tak tvrdá vnější vrstva tomuto procesu odolá. Pomocí mezimolekulárních přitažlivých sil houževnatě drží jádro, které je po ochlazení nuceno zaujmout větší objem, než kdyby se ochladilo volně.

V důsledku toho na rozhraní mezi vnější vrstvou a jádrem vznikají síly, které tahají vnější vrstvu dovnitř, vytvářejí v ní tlaková napětí, a vnitřní jádro směrem ven a vytvářejí v ní tahová napětí.

Tato napětí jsou při příliš rychlém ochlazování velmi vysoká. Takže vnitřní část balónku se může oddělit od vnější části a pak se v kapce vytvoří bublina.

Velmi vysoké zbytkové napětí má za následek neobvyklé vlastnosti, jako je schopnost odolat úderu kladivem na hlavu kapky prince Ruperta, aniž by došlo k porušení její celistvosti.

Ale pokud je ocas mírně poškozen, pak je kapka zničena velkou rychlostí. Ke zkáze dochází při rychlosti 1658 metrů za sekundu, což je přibližně 5968,8 kilometrů za hodinu.

), nebo „Dánské slzy“. Padací hlava je neuvěřitelně pevná, je velmi obtížné ji mechanicky poškodit stlačením: neuškodí jí ani silné údery kladivem nebo hydraulický lis. Ale stojí za to lehce zlomit křehký ocas a celá kapka se během mrknutí oka rozpadne na malé úlomky.

Tato zvláštní vlastnost skleněné kapky byla poprvé objevena v 17. století, buď v Dánsku, nebo v Holandsku (odtud pro ně jiný název - batávské slzy), nebo v Německu (zdroje si protiřečí), a neobvyklá maličkost se rychle rozšířila po celém světě. Evropa jako legrační hračka. Kapka dostala své jméno na počest vrchního velitele anglické královské jízdy Ruperta Falckého, lidově prince Ruperta. V roce 1660 se Rupert Falcký vrátil po dlouhém exilu do Anglie a přinesl s sebou neobvyklé skleněné kapky, které daroval Karlu II., který je přenesl na výzkum do Královské společnosti v Londýně.

Technologie výroby kapky byla dlouhou dobu držena v tajnosti, ale nakonec se ukázalo, že je velmi jednoduchá: stačí hodit roztavené sklo do kbelíku se studenou vodou. V této jednoduché technologii spočívá tajemství síly a slabosti kapky. Vnější vrstva skla rychle tuhne, zmenšuje svůj objem a začíná vyvíjet tlak na ještě tekuté jádro. Když se ochladí i vnitřní část, jádro se začne smršťovat, ale tomu nyní čelí již zmrzlá vnější vrstva. Pomocí mezimolekulárních přitažlivých sil drží chlazené jádro, které je nyní nuceno zabírat větší objem, než kdyby se chladilo volně. V důsledku toho na rozhraní mezi vnější a vnitřní vrstvou vznikají protichůdné síly, které stahují vnější vrstvu dovnitř a vytváří se v ní tlakové napětí a vnitřní jádro směrem ven tvořící tahové napětí. V tomto případě se vnitřní část může dokonce odtrhnout od vnější a pak se v kapce vytvoří bublina. Tato opozice činí pád silnější než ocel. Pokud ale přesto dojde k poškození jeho povrchu porušením vnější vrstvy, uvolní se skrytá síla tahu a z místa poškození se po celé kapce strhne rychlá vlna destrukce. Rychlost této vlny je 1,5 km/s, což je pětkrát rychleji než rychlost zvuku v zemské atmosféře.

Na stejném principu stojí i výroba tvrzeného skla, které se používá například ve vozidlech. Kromě zvýšené pevnosti má takové sklo vážnou bezpečnostní výhodu: při poškození se rozbije na mnoho malých kousků s tupými hranami. Obyčejné „surové“ sklo se roztříští na velké ostré úlomky, které vás mohou vážně zranit. Tvrzené sklo v automobilovém průmyslu se používá na boční a zadní okna. Čelní sklo pro automobily je vyrobeno vícevrstvé (triplex): dvě nebo více vrstev jsou slepeny polymerovou fólií, která při nárazu drží úlomky a zabraňuje jejich rozlétnutí.

Veronika Samotská

Batavské slzy neboli boloňské baňky, stejně jako kapky prince Ruperta, jsou tvrzené kapky z tvrzeného skla s extrémně odolnými vlastnostmi. Do Anglie je přivezl princ Rupert Falcký v polovině 17. století. Zároveň vzbudily velkou pozornost vědců.

17095 1 4 18

S největší pravděpodobností takové skleněné kapky znali skláři odnepaměti, ale pozornost vědců přitáhly spíše pozdě: někde v polovině 17. století. Objevily se v Evropě (podle různých zdrojů v Holandsku, Dánsku nebo Německu). Technologie výroby "slz" byla držena v tajnosti, ale ukázalo se, že je velmi jednoduchá.

Pokud pustíte roztavené sklo do studené vody, získáte kapku ve tvaru pulce s dlouhým, zakřiveným ocasem. Zároveň má kapka výjimečnou sílu: její „hlava“ může být zasažena kladivem a nerozbije se. Ale pokud zlomíte ocas, kapka se okamžitě roztříští na malé úlomky.

Snímky zaznamenané pomocí vysokorychlostní fotografie ukazují, že přední část „exploze“ se pohybuje kapku po kapce vysokou rychlostí: 1,2 km/s, což je téměř 4krát více než rychlost zvuku.

Následkem rychlého ochlazení dochází u kapky skla k silným vnitřním pnutím, což způsobuje tak podivné vlastnosti. Vnější vrstva kapky se ochladí tak rychle, že skleněná struktura se nestihne znovu postavit. Jádro je nataženo a vnější vrstva je stlačena. Podobně se získá tvrzené sklo – nemá však onen ocas, u kterého je možné skořápku tak snadno rozbít.