Δάκρυα γυαλιού. Μια ενδιαφέρουσα ιδιότητα της πτώσης του πρίγκιπα Ρούπερτ (βίντεο). Οι σταγόνες του Ρούπερτ προέρχονται από...

Η σταγόνα του πρίγκιπα Ρούπερτ μοιάζει με γυάλινο γυρίνο που δημιουργήθηκε από έναν αρχάριο φυσητή γυαλιού, αλλά είναι τόσο σκληρό που δεν μπορεί να σπάσει ούτε με ένα σφυρί. Αρκεί όμως να την χτυπήσεις ελαφρά στην «ουρά», και θρυμματίζεται σε σκόνη. Οι επιστήμονες προσπαθούν να βρουν τον λόγο για τέτοιες ανεξήγητες ιδιότητες για σχεδόν 400 χρόνια και τώρα μια ομάδα ερευνητών από το Πανεπιστήμιο του Κέιμπριτζ και το Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο του Ταλίν στην Εσθονία έχει επιτέλους μια απάντηση.

Τα δάκρυα ή σταγόνες Batavian του πρίγκιπα Ρούπερτ εμφανίστηκαν για πρώτη φορά τον 17ο αιώνα και έγιναν διάσημα όταν ο Πρίγκιπας Ρούπερτ της Βαυαρίας παρουσίασε πέντε από αυτά τα μικροπράγματα στον βασιλιά Κάρολο Β' της Αγγλίας. Υποβλήθηκαν στη Βασιλική Εταιρεία για μελέτη το 1661, ωστόσο, παρά την έρευνα σχεδόν τεσσάρων αιώνων, μόλις τώρα βρέθηκε μια εξήγηση για τις παράξενες ιδιότητές τους. Οι σταγόνες είναι κατασκευασμένες από λιωμένο γυαλί με υψηλό συντελεστή θερμικής διαστολής και βυθίζονται σε δοχείο με κρύο νερό. Το λιωμένο γυαλί στερεοποιείται αμέσως στο χαρακτηριστικό σχήμα σταγόνας.

Για να μελετήσουν τις σταγόνες του πρίγκιπα Ρούπερτ, οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν μια τεχνική όπου ένα διαφανές τρισδιάστατο αντικείμενο τοποθετείται σε ένα λουτρό βύθισης έτσι ώστε το πολωμένο φως να περνά μέσα από αυτό. Οι αλλαγές στην πόλωση του φωτός μέσα σε ένα αντικείμενο αντιστοιχούν σε γραμμές τάσης. Η προηγούμενη εργασία των φυσικών του Ταλίν και του Κέιμπριτζ, που πραγματοποιήθηκε το 1994, περιελάμβανε τη μαγνητοσκόπηση της έκρηξης μιας σταγόνας με ταχύτητα σχεδόν ενός εκατομμυρίου καρέ ανά δευτερόλεπτο. Στο βίντεο μπορείτε να δείτε πώς μετά τη ζημιά στην «ουρά», οι ρωγμές διαδίδονται σταγόνα-σταγόνα με ταχύτητα περίπου 6.500 χιλιομέτρων την ώρα.

Μια νέα μελέτη έδειξε ότι οι θλιπτικές τάσεις του γυαλιού στο «κεφάλι» της σταγόνας είναι περίπου 50 τόνοι ανά τετραγωνική ίντσα, γεγονός που το καθιστά τόσο δυνατό όσο το ατσάλι. Αυτό συμβαίνει επειδή το εξωτερικό της σταγόνας ψύχεται πιο γρήγορα από το εσωτερικό. Έτσι, ασκείται τεράστια πίεση στο κέντρο του «κεφαλιού» της σταγόνας, η οποία αντισταθμίζεται με τέντωμα.

Όσο αυτές οι δυνάμεις παραμένουν σε ισορροπία, η πτώση είναι πολύ ισχυρή και μπορεί να αντέξει σημαντικά φορτία. Αλλά αν η «ουρά» καταστραφεί, αυτή η ισορροπία διαταράσσεται και πολλές μικρές ρωγμές διαδίδονται παράλληλα με τον άξονά της. Συμβαίνει με τόσο μεγάλη ταχύτητα που μοιάζει με έκρηξη.

Ας ξεχωρίσουμε υπό όρους το εξωτερικό στρώμα και τον εσωτερικό πυρήνα στην πτώση. Το σταγονίδιο ψύχεται από την επιφάνεια και το εξωτερικό του στρώμα συρρικνώνεται και μειώνεται σε όγκο ενώ ο πυρήνας παραμένει υγρός και ζεστός.

Αφού πέσει η θερμοκρασία στο εσωτερικό της μπάλας, ο πυρήνας θα αρχίσει επίσης να συρρικνώνεται. Αλλά το ήδη σκληρό εξωτερικό στρώμα θα αντισταθεί στη διαδικασία. Με τη βοήθεια των διαμοριακών δυνάμεων έλξης, κρατά επίμονα τον πυρήνα, ο οποίος, αφού κρυώσει, αναγκάζεται να καταλάβει μεγαλύτερο όγκο από ό,τι αν είχε κρυώσει ελεύθερα.

Ως αποτέλεσμα, δημιουργούνται δυνάμεις στο όριο μεταξύ του εξωτερικού στρώματος και του πυρήνα, τραβώντας το εξωτερικό στρώμα προς τα μέσα, δημιουργώντας συμπιεστικές τάσεις σε αυτό και τον εσωτερικό πυρήνα προς τα έξω, δημιουργώντας τάσεις εφελκυσμού σε αυτό.

Αυτές οι τάσεις είναι πολύ υψηλές κατά την πολύ γρήγορη ψύξη. Έτσι, το εσωτερικό μέρος του μπαλονιού μπορεί να αποσπαστεί από το εξωτερικό μέρος και στη συνέχεια να σχηματιστεί μια φυσαλίδα στο σταγονίδιο.

Η πολύ υψηλή υπολειμματική τάση έχει ως αποτέλεσμα ασυνήθιστες ιδιότητες, όπως η ικανότητα να αντέχει ένα χτύπημα σφυριού στο κεφάλι μιας πτώσης του Prince Rupert χωρίς να σπάσει την ακεραιότητά του.

Αν όμως η ουρά είναι ελαφρώς κατεστραμμένη, τότε η σταγόνα καταστρέφεται με μεγάλη ταχύτητα. Η καταστροφή συμβαίνει με ταχύτητα 1658 μέτρων το δευτερόλεπτο, δηλαδή περίπου 5968,8 χιλιόμετρα την ώρα.

), ή «Δανέζικα δάκρυα». Η κεφαλή πτώσης είναι απίστευτα ισχυρή, είναι πολύ δύσκολο να την καταστρέψετε μηχανικά με συμπίεση: ακόμη και δυνατά χτυπήματα σφυριού ή υδραυλική πρέσα δεν την βλάπτουν. Αλλά αξίζει να σπάσετε ελαφρώς την εύθραυστη ουρά και ολόκληρη η σταγόνα θα σπάσει σε μικρά θραύσματα εν ριπή οφθαλμού.

Αυτή η περίεργη ιδιότητα μιας σταγόνας γυαλιού ανακαλύφθηκε για πρώτη φορά τον 17ο αιώνα, είτε στη Δανία, είτε στην Ολλανδία (εξ ου και ένα άλλο όνομα για αυτά - δάκρυα Batavian), είτε στη Γερμανία (οι πηγές είναι αντιφατικές) και ένα ασυνήθιστο μικρό πράγμα εξαπλώθηκε γρήγορα σε Η Ευρώπη ως αστείο παιχνίδι. Η σταγόνα πήρε το όνομά της προς τιμήν του αρχιστράτηγου του αγγλικού βασιλικού ιππικού, Ρούπερτ του Παλατινάτου, ευρέως γνωστό ως Πρίγκιπας Ρούπερτ. Το 1660, ο Ρούπερτ του Παλατινάτου επέστρεψε στην Αγγλία μετά από μια μακρά εξορία και έφερε μαζί του ασυνήθιστες γυάλινες σταγόνες, τις οποίες παρουσίασε στον Κάρολο Β΄, ο οποίος τις μετέφερε στη Βασιλική Εταιρεία του Λονδίνου για έρευνα.

Η τεχνολογία για την παραγωγή της σταγόνας κρατήθηκε μυστική για μεγάλο χρονικό διάστημα, αλλά τελικά αποδείχθηκε πολύ απλή: απλά ρίξτε λιωμένο γυαλί σε έναν κουβά με κρύο νερό. Σε αυτή την απλή τεχνολογία βρίσκεται το μυστικό της δύναμης και της αδυναμίας της σταγόνας. Το εξωτερικό στρώμα γυαλιού στερεοποιείται γρήγορα, μειώνεται σε όγκο και αρχίζει να ασκεί πίεση στον ακόμα υγρό πυρήνα. Όταν το εσωτερικό μέρος κρυώνει επίσης, ο πυρήνας αρχίζει να συρρικνώνεται, αλλά αυτό αντισταθμίζεται τώρα από το ήδη παγωμένο εξωτερικό στρώμα. Με τη βοήθεια των διαμοριακών δυνάμεων έλξης, συγκρατεί τον ψυχρό πυρήνα, ο οποίος τώρα αναγκάζεται να καταλάβει μεγαλύτερο όγκο από ό,τι αν είχε κρυώσει ελεύθερα. Ως αποτέλεσμα, αντίθετες δυνάμεις προκύπτουν στο όριο μεταξύ του εξωτερικού και του εσωτερικού στρώματος, οι οποίες τραβούν το εξωτερικό στρώμα προς τα μέσα και σχηματίζεται μια συμπιεστική τάση σε αυτό και ο εσωτερικός πυρήνας προς τα έξω, σχηματίζοντας μια τάση εφελκυσμού. Σε αυτή την περίπτωση, το εσωτερικό μέρος μπορεί ακόμη και να απομακρυνθεί από το εξωτερικό και στη συνέχεια σχηματίζεται μια φυσαλίδα στην σταγόνα. Αυτή η αντίθεση κάνει την πτώση ισχυρότερη από το ατσάλι. Αλλά αν, παρόλα αυτά, η επιφάνειά του καταστραφεί από το σπάσιμο του εξωτερικού στρώματος, η κρυμμένη δύναμη της τάσης θα απελευθερωθεί και ένα γρήγορο κύμα καταστροφής θα σαρώσει από το σημείο της ζημιάς σε όλη την πτώση. Η ταχύτητα αυτού του κύματος είναι 1,5 km/s, δηλαδή πέντε φορές μεγαλύτερη από την ταχύτητα του ήχου στην ατμόσφαιρα της Γης.

Η ίδια αρχή βασίζεται στην κατασκευή σκληρυμένου γυαλιού, το οποίο χρησιμοποιείται, για παράδειγμα, σε οχήματα. Εκτός από την αυξημένη αντοχή, ένα τέτοιο γυαλί έχει ένα σοβαρό πλεονέκτημα ασφάλειας: όταν καταστραφεί, σπάει σε πολλά μικρά κομμάτια με αμβλεία άκρα. Το συνηθισμένο «ωμό» γυαλί θρυμματίζεται σε μεγάλα αιχμηρά θραύσματα που μπορεί να σας τραυματίσουν σοβαρά. Το σκληρυμένο γυαλί στην αυτοκινητοβιομηχανία χρησιμοποιείται για πλαϊνά και πίσω παράθυρα. Το παρμπρίζ για τα αυτοκίνητα είναι πολυεπίπεδο (triplex): δύο ή περισσότερα στρώματα είναι κολλημένα μεταξύ τους με μια πολυμερή μεμβράνη, η οποία, κατά την πρόσκρουση, συγκρατεί τα θραύσματα και τα εμποδίζει να πετάξουν μεταξύ τους.

Veronika Samotskaya

Τα δάκρυα Batavian ή οι φιάλες Bologna, καθώς και οι σταγόνες του Prince Rupert, είναι σκληρυμένες σταγόνες από γυαλί με εξαιρετικά ανθεκτικές ιδιότητες. Τα έφερε στην Αγγλία ο πρίγκιπας Ρούπερτ του Παλατινάτου στα μέσα του 17ου αιώνα. Ταυτόχρονα, τράβηξαν την προσοχή των επιστημόνων.

17095 1 4 18

Πιθανότατα, τέτοιες σταγόνες γυαλιού ήταν γνωστές στους φυσητήρες γυαλιού από αμνημονεύτων χρόνων, αλλά τράβηξαν την προσοχή των επιστημόνων μάλλον αργά: κάπου στα μέσα του 17ου αιώνα. Εμφανίστηκαν στην Ευρώπη (σύμφωνα με διάφορες πηγές, στην Ολλανδία, τη Δανία ή τη Γερμανία). Η τεχνολογία για την κατασκευή «δακρύων» κρατήθηκε μυστική, αλλά αποδείχθηκε πολύ απλή.

Εάν ρίξετε λιωμένο ποτήρι σε κρύο νερό, θα έχετε μια σταγόνα σε σχήμα γυρίνου με μακριά, κυρτή ουρά. Ταυτόχρονα, η σταγόνα έχει εξαιρετική αντοχή: το "κεφάλι" της μπορεί να χτυπηθεί με ένα σφυρί και δεν θα σπάσει. Αλλά αν σπάσεις την ουρά, η σταγόνα θρυμματίζεται αμέσως σε μικρά θραύσματα.

Τα καρέ που καταγράφηκαν με τη χρήση φωτογραφιών υψηλής ταχύτητας δείχνουν ότι το μέτωπο της «έκρηξης» κινείται σταγόνα-σταγόνα με υψηλή ταχύτητα: 1,2 km/s, που είναι σχεδόν 4 φορές υψηλότερη από την ταχύτητα του ήχου.

Ως αποτέλεσμα της γρήγορης ψύξης, η πτώση γυαλιού υφίσταται έντονες εσωτερικές τάσεις, οι οποίες προκαλούν τόσο περίεργες ιδιότητες. Το εξωτερικό στρώμα της σταγόνας ψύχεται τόσο γρήγορα που η γυάλινη δομή δεν έχει χρόνο να ξαναχτιστεί. Ο πυρήνας τεντώνεται και το εξωτερικό στρώμα συμπιέζεται. Ομοίως, λαμβάνεται γυαλί με σκληρυμένο πολτό - ωστόσο, δεν έχει αυτή την ουρά, για την οποία είναι δυνατόν να σπάσει το κέλυφος τόσο εύκολα.