Tränen aus Glas. Eine interessante Eigenschaft von Prince Ruperts Tropfen (Video). Ruperts Tropfen stammen aus ...

Der Blob von Prince Rupert sieht aus wie eine Kaulquappe aus Glas, die von einem unerfahrenen Glasbläser geschaffen wurde, aber er ist so robust, dass er nicht einmal mit einem Hammer zerbrochen werden kann. Es reicht jedoch aus, sie leicht auf den "Schwanz" zu schlagen, und sie zerbröckelt zu Pulver. Wissenschaftler versuchen seit fast 400 Jahren, den Grund für solche unerklärlichen Eigenschaften zu finden, und jetzt hat ein Forscherteam der Universität Cambridge und der Technischen Universität Tallinn in Estland endlich eine Antwort.

Prinz Ruperts batavische Tränen oder Tropfen tauchten erstmals im 17. Jahrhundert auf und wurden berühmt, als Prinz Rupert von Bayern König Karl II. von England fünf dieser Kleinigkeiten überreichte. Sie wurden 1661 der Royal Society zum Studium vorgelegt, doch trotz fast vierhundertjähriger Forschung konnte erst jetzt eine Erklärung für ihre seltsamen Eigenschaften gefunden werden. Die Tropfen bestehen aus geschmolzenem Glas mit hohem Wärmeausdehnungskoeffizienten und werden in ein Gefäß mit kaltem Wasser getaucht. Geschmolzenes Glas erstarrt sofort in der charakteristischen Tropfenform.

Um die Tropfen von Prince Rupert zu untersuchen, verwendeten die Wissenschaftler eine Technik, bei der ein transparentes 3D-Objekt in ein Tauchbad gelegt wird, sodass polarisiertes Licht hindurchtritt. Änderungen in der Polarisation von Licht innerhalb eines Objekts entsprechen Spannungslinien. Die frühere Arbeit der Physiker aus Tallinn und Cambridge, die bereits 1994 durchgeführt wurde, umfasste das Filmen der Explosion eines Tropfens mit einer Geschwindigkeit von fast einer Million Bildern pro Sekunde. Im Video sehen Sie, wie sich nach der Beschädigung des „Hecks“ Risse mit einer Geschwindigkeit von etwa 6.500 Stundenkilometern tropfenweise ausbreiten.

Eine neue Studie hat gezeigt, dass die Druckspannungen von Glas im „Kopf“ des Tropfens etwa 50 Tonnen pro Quadratzoll betragen, was es so stark wie Stahl macht. Dies geschieht, weil die Außenseite des Tropfens schneller abkühlt als die Innenseite. Dadurch wird ein enormer Druck auf die Mitte des „Kopfes“ des Tropfens ausgeübt, der durch Dehnung kompensiert wird.

Solange diese Kräfte im Gleichgewicht bleiben, ist der Tropfen sehr stark und kann erheblichen Belastungen standhalten. Ist der „Schwanz“ aber beschädigt, wird dieses Gleichgewicht gestört und viele kleine Risse breiten sich parallel zu seiner Achse aus. Es passiert mit so hoher Geschwindigkeit, dass es einer Explosion gleicht.

Lassen Sie uns die äußere Schicht und den inneren Kern im Tropfen bedingt herausgreifen. Das Tröpfchen wird von der Oberfläche gekühlt, und seine äußere Schicht schrumpft und nimmt an Volumen ab, während der Kern flüssig und heiß bleibt.

Nachdem die Temperatur im Inneren des Balls gesunken ist, beginnt auch der Kern zu schrumpfen. Aber die ohnehin schon harte Außenschicht widersteht dem Prozess. Mit Hilfe intermolekularer Anziehungskräfte hält er den Kern hartnäckig fest, der nach dem Abkühlen gezwungen ist, ein größeres Volumen einzunehmen, als wenn er frei abgekühlt wäre.

Dadurch entstehen an der Grenze zwischen Außenschicht und Kern Kräfte, die die Außenschicht nach innen ziehen und darin Druckspannungen erzeugen, und den Innenkern nach außen ziehen und darin Zugspannungen erzeugen.

Diese Spannungen sind bei zu schneller Abkühlung sehr hoch. So kann sich der innere Teil des Ballons vom äußeren Teil lösen, und dann bildet sich im Tropfen eine Blase.

Eine sehr hohe Restspannung führt zu ungewöhnlichen Eigenschaften, wie z. B. der Fähigkeit, einem Hammerschlag auf den Kopf eines Prince-Rupert-Tropfens zu widerstehen, ohne seine Integrität zu brechen.

Aber wenn der Schwanz leicht beschädigt ist, wird der Tropfen mit großer Geschwindigkeit zerstört. Die Zerstörung erfolgt mit einer Geschwindigkeit von 1658 Metern pro Sekunde, was ungefähr 5968,8 Kilometern pro Stunde entspricht.

) oder „dänische Tränen“. Der Fallkopf ist unglaublich stark, es ist sehr schwierig, ihn durch Kompression mechanisch zu beschädigen: Auch starke Hammerschläge oder eine hydraulische Presse können ihm nichts anhaben. Aber es lohnt sich, den zerbrechlichen Schwanz leicht zu brechen, und der ganze Tropfen zerbricht im Handumdrehen in kleine Fragmente.

Diese merkwürdige Eigenschaft eines Glastropfens wurde erstmals im 17. Jahrhundert entdeckt, entweder in Dänemark oder in Holland (daher ein anderer Name für sie – batavische Tränen) oder in Deutschland (Quellen sind widersprüchlich), und eine ungewöhnliche Kleinigkeit verbreitete sich schnell überall Europa als lustiges Spielzeug. Der Tropfen erhielt seinen Namen zu Ehren des Oberbefehlshabers der englischen königlichen Kavallerie, Rupert von der Pfalz, im Volksmund als Prinz Rupert bekannt. 1660 kehrte Rupert von der Pfalz nach langem Exil nach England zurück und brachte ungewöhnliche Glastropfen mit, die er Karl II. überreichte, der sie zur Forschung an die Royal Society of London übergab.

Die Technologie zur Herstellung des Tropfens wurde lange geheim gehalten, aber am Ende stellte sich heraus, dass sie sehr einfach war: Einfach geschmolzenes Glas in einen Eimer mit kaltem Wasser fallen lassen. In dieser einfachen Technologie liegt das Geheimnis der Stärke und Schwäche des Tropfens. Die äußere Glasschicht erstarrt schnell, nimmt an Volumen ab und beginnt Druck auf den noch flüssigen Kern auszuüben. Kühlt auch das Innenteil ab, beginnt der Kern zu schrumpfen, dem wirkt nun aber die bereits gefrorene Außenschicht entgegen. Mit Hilfe intermolekularer Anziehungskräfte hält es den gekühlten Kern, der nun gezwungen ist, ein größeres Volumen einzunehmen, als wenn er frei abgekühlt wäre. Dadurch entstehen an der Grenze zwischen Außen- und Innenschicht Gegenkräfte, die die Außenschicht nach innen ziehen und darin eine Druckspannung ausbilden, und den Innenkern nach außen, wodurch eine Zugspannung entsteht. Dabei kann sich der innere Teil sogar vom äußeren lösen und es bildet sich dann eine Blase im Tropfen. Dieser Widerstand macht den Tropfen stärker als Stahl. Wird seine Oberfläche dennoch durch Brechen der äußeren Schicht beschädigt, löst sich die verborgene Spannungskraft, und eine schnelle Zerstörungswelle schwappt von der Schadensstelle über den gesamten Tropfen. Die Geschwindigkeit dieser Welle beträgt 1,5 km/s, was fünfmal schneller ist als die Schallgeschwindigkeit in der Erdatmosphäre.

Das gleiche Prinzip liegt der Herstellung von gehärtetem Glas zugrunde, das beispielsweise in Fahrzeugen verwendet wird. Neben der erhöhten Festigkeit hat solches Glas einen gravierenden Sicherheitsvorteil: Bei Beschädigung zerbricht es in viele kleine Stücke mit stumpfen Kanten. Gewöhnliches „rohes“ Glas zerbricht in große scharfe Bruchstücke, die Sie ernsthaft verletzen können. Gehärtetes Glas wird in der Automobilindustrie für Seiten- und Heckscheiben verwendet. Die Windschutzscheibe für Autos wird mehrschichtig (Triplex) hergestellt: Zwei oder mehr Schichten werden mit einer Polymerfolie zusammengeklebt, die beim Aufprall die Splitter hält und verhindert, dass sie auseinanderfliegen.

Veronika Samotskaja

Batavische Tränen oder Bologna-Kolben sowie Tropfen von Prince Rupert sind gehärtete Tropfen aus gehärtetem Glas mit extrem langlebigen Eigenschaften. Sie wurden Mitte des 17. Jahrhunderts von Prinz Rupert von der Pfalz nach England gebracht. Gleichzeitig zogen sie die Aufmerksamkeit der Wissenschaftler auf sich.

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Höchstwahrscheinlich waren solche Glastropfen den Glasbläsern seit jeher bekannt, aber sie erregten erst spät die Aufmerksamkeit der Wissenschaftler: Mitte des 17. Jahrhunderts. Sie erschienen in Europa (nach verschiedenen Quellen in Holland, Dänemark oder Deutschland). Die Technologie zur Herstellung von "Tränen" wurde geheim gehalten, stellte sich jedoch als sehr einfach heraus.

Wenn Sie geschmolzenes Glas in kaltes Wasser fallen lassen, erhalten Sie einen kaulquappenförmigen Tropfen mit einem langen, gebogenen Schwanz. Gleichzeitig hat der Tropfen eine außergewöhnliche Festigkeit: Sein „Kopf“ kann mit einem Hammer getroffen werden und er wird nicht brechen. Aber wenn Sie den Schwanz brechen, zerbricht der Tropfen sofort in kleine Fragmente.

Die mit Hochgeschwindigkeitsfotografie aufgenommenen Einzelbilder zeigen, dass sich die „Explosions“-Front Tropfen für Tropfen mit hoher Geschwindigkeit bewegt: 1,2 km/s, was fast 4-mal höher ist als die Schallgeschwindigkeit.

Durch das schnelle Abkühlen erfährt der Glastropfen starke Eigenspannungen, die diese seltsamen Eigenschaften hervorrufen. Die äußere Schicht des Tropfens kühlt so schnell ab, dass die Glasstruktur keine Zeit hat, sich wieder aufzubauen. Der Kern wird gedehnt und die Außenschicht gestaucht. In ähnlicher Weise wird gehärtetes Glas erhalten - es hat jedoch nicht diesen Schwanz, für den es möglich ist, die Schale so leicht zu zerbrechen.