Szklane łzy. Ciekawa własność zrzutu księcia Ruperta (wideo). Krople Ruperta pochodzą z ...

Kropelka księcia Ruperta wygląda jak szklana kijanka stworzona przez początkującego dmuchacza szkła, ale jest tak twarda, że ​​nie da się jej złamać nawet młotkiem. Wystarczy jednak lekko uderzyć ją w „ogon”, a ona kruszy się w proszek. Naukowcy od prawie 400 lat próbują znaleźć przyczynę takich niewytłumaczalnych cech, a teraz zespół naukowców z Uniwersytetu Cambridge i Politechniki w Tallinie w Estonii wreszcie ma na to odpowiedź.

Batawskie łzy lub krople księcia Ruperta pojawiły się po raz pierwszy w XVII wieku i stały się sławne, gdy książę Rupert z Bawarii podarował pięć takich drobiazgów królowi Anglii Karolowi II. Zostały one przedłożone Królewskiemu Towarzystwu do badań w 1661 roku, jednak pomimo prawie czterech wieków badań, dopiero teraz znaleziono wyjaśnienie ich dziwnych właściwości. Krople wykonane są ze stopionego szkła o wysokim współczynniku rozszerzalności cieplnej i zanurzane są w naczyniu z zimną wodą. Stopione szkło natychmiast zestala się w charakterystycznym kształcie kropli.

Aby zbadać krople księcia Ruperta, naukowcy zastosowali technikę, w której przezroczysty obiekt 3D umieszcza się w kąpieli zanurzeniowej, tak aby spolaryzowane światło przechodziło przez niego. Zmiany polaryzacji światła w obiekcie odpowiadają liniom napięcia. Wcześniejsza praca fizyków z Tallina i Cambridge, wykonana jeszcze w 1994 roku, obejmowała sfilmowanie eksplozji kropli z prędkością prawie miliona klatek na sekundę. Na filmie widać, jak po uszkodzeniu „ogonu” pęknięcia rozprzestrzeniają się kropla po kropli z prędkością około 6500 kilometrów na godzinę.

Nowe badania wykazały, że naprężenia ściskające szkła w „główce” kropli wynoszą około 50 ton na cal kwadratowy, co czyni go tak wytrzymałym jak stal. Dzieje się tak, ponieważ zewnętrzna część kropli stygnie szybciej niż jej wnętrze. W ten sposób na środek „głowy” kropli wywierany jest ogromny nacisk, który jest kompensowany przez rozciąganie.

Dopóki siły te pozostają w równowadze, spadek jest bardzo silny i może wytrzymać znaczne obciążenia. Ale jeśli „ogon” jest uszkodzony, ta równowaga zostaje zakłócona, a wiele małych pęknięć rozprzestrzenia się równolegle do jego osi. Dzieje się to z tak dużą prędkością, że przypomina eksplozję.

Warunkowo wyróżnijmy zewnętrzną warstwę i wewnętrzny rdzeń w kropli. Kropla jest schładzana z powierzchni, a jej zewnętrzna warstwa kurczy się i zmniejsza swoją objętość, podczas gdy rdzeń pozostaje płynny i gorący.

Gdy temperatura wewnątrz kuli spadnie, rdzeń również zacznie się kurczyć. Ale już twarda warstwa zewnętrzna będzie się opierać procesowi. Za pomocą międzycząsteczkowych sił przyciągania wytrwale utrzymuje jądro, które po ochłodzeniu jest zmuszone zajmować większą objętość, niż gdyby ostygło swobodnie.

W rezultacie siły powstają na granicy między warstwą zewnętrzną a rdzeniem, ciągnąc warstwę zewnętrzną do wewnątrz, tworząc w niej naprężenia ściskające, a rdzeń wewnętrzny na zewnątrz, tworząc w nim naprężenia rozciągające.

Naprężenia te są bardzo duże podczas zbyt szybkiego chłodzenia. Tak więc wewnętrzna część balonu może oderwać się od zewnętrznej, a następnie w kropelce utworzy się bąbelek.

Bardzo wysokie naprężenie szczątkowe skutkuje niezwykłymi właściwościami, takimi jak odporność na uderzenie młotkiem w głowę kropli Prince Rupert bez naruszania jej integralności.

Ale jeśli ogon jest lekko uszkodzony, to kropla jest niszczona z dużą prędkością. Zniszczenie następuje z prędkością 1658 metrów na sekundę, czyli około 5968,8 kilometrów na godzinę.

) lub „Duńskie łzy”. Głowica opadowa jest niesamowicie mocna, bardzo trudno ją mechanicznie uszkodzić przez ściskanie: nie szkodzą jej nawet silne uderzenia młotkiem lub prasa hydrauliczna. Warto jednak lekko złamać kruchy ogonek, a cała kropla rozpadnie się na drobne fragmenty w mgnieniu oka.

Tę ciekawą właściwość szklanej kropli odkryto po raz pierwszy w XVII wieku, albo w Danii, albo w Holandii (stąd ich inna nazwa - łzy batawskie) lub w Niemczech (źródła są sprzeczne), a niezwykły drobiazg szybko się rozprzestrzenił. Europa jako śmieszna zabawka. Kropla otrzymała swoją nazwę na cześć naczelnego wodza angielskiej kawalerii królewskiej Ruperta z Palatynatu, popularnie zwanego księciem Rupertem. W 1660 r. Rupert z Palatynatu powrócił do Anglii po długim wygnaniu i przywiózł ze sobą niezwykłe szklane krople, które podarował Karolowi II, który przekazał je do badań Royal Society of London.

Technologia wykonania kropli przez długi czas była utrzymywana w tajemnicy, ale w końcu okazała się bardzo prosta: wystarczy wrzucić stopione szkło do wiadra z zimną wodą. W tej prostej technologii tkwi sekret siły i słabości kropli. Zewnętrzna warstwa szkła szybko zestala się, zmniejsza swoją objętość i zaczyna naciskać na wciąż płynny rdzeń. Gdy wewnętrzna część również się ochładza, rdzeń zaczyna się kurczyć, ale przeciwdziała temu już zamarznięta warstwa zewnętrzna. Za pomocą międzycząsteczkowych sił przyciągania utrzymuje ochłodzony rdzeń, który jest teraz zmuszony do zajmowania większej objętości, niż gdyby schładzał się swobodnie. W rezultacie na granicy między warstwami zewnętrzną i wewnętrzną powstają przeciwstawne siły, które ciągną warstwę zewnętrzną do wewnątrz i powstaje w niej naprężenie ściskające, a rdzeń wewnętrzny na zewnątrz, tworząc naprężenie rozciągające. W takim przypadku część wewnętrzna może nawet oderwać się od zewnętrznej, a następnie w kropli tworzy się bańka. Ta opozycja sprawia, że ​​upadek jest mocniejszy niż stal. Jeśli jednak jego powierzchnia zostanie uszkodzona przez rozerwanie zewnętrznej warstwy, ukryta siła napięcia zostanie uwolniona i gwałtowna fala zniszczenia przetoczy się z miejsca uszkodzenia wzdłuż całej kropli. Prędkość tej fali wynosi 1,5 km/s, czyli pięć razy szybciej niż prędkość dźwięku w ziemskiej atmosferze.

Ta sama zasada leży u podstaw produkcji szkła hartowanego, które stosuje się na przykład w pojazdach. Oprócz zwiększonej wytrzymałości takie szkło ma poważną zaletę bezpieczeństwa: po uszkodzeniu rozpada się na wiele małych kawałków o tępych krawędziach. Zwykłe „surowe” szkło rozbija się na duże ostre fragmenty, które mogą poważnie zranić. Szkło hartowane w przemyśle motoryzacyjnym stosowane jest do szyb bocznych i tylnych. Szyba przednia do samochodów jest wielowarstwowa (triplex): dwie lub więcej warstw skleja się folią polimerową, która po uderzeniu utrzymuje fragmenty i zapobiega ich rozlatywaniu się.

Weronika Samotskaya

Łzy batawskie czy flaszetki bolońskie, a także krople księcia Ruperta to utwardzone krople z hartowanego szkła o niezwykle trwałych właściwościach. Zostały sprowadzone do Anglii przez księcia Ruperta z Palatynatu w połowie XVII wieku. Jednocześnie przyciągnęły baczną uwagę naukowców.

17095 1 4 18

Najprawdopodobniej takie szklane krople były znane dmuchaczom szkła od niepamiętnych czasów, ale przyciągnęły uwagę naukowców dość późno: gdzieś w połowie XVII wieku. Pojawili się w Europie (według różnych źródeł w Holandii, Danii czy Niemczech). Technologia robienia „łez” była utrzymywana w tajemnicy, ale okazała się bardzo prosta.

Jeśli wrzucisz stopione szkło do zimnej wody, otrzymasz kroplę w kształcie kijanki z długim, zakrzywionym ogonem. Jednocześnie kropla ma wyjątkową siłę: jej „głową” można uderzyć młotkiem i nie pęknie. Ale jeśli złamiesz ogon, kropla natychmiast rozpadnie się na małe fragmenty.

Na kadrach zarejestrowanych przy użyciu szybkich fotografii widać, że front „wybuchu” porusza się kropla po kropli z dużą prędkością: 1,2 km/s, czyli prawie 4 razy większą niż prędkość dźwięku.

W wyniku gwałtownego schłodzenia szklana kropla doświadcza silnych naprężeń wewnętrznych, co powoduje takie dziwne właściwości. Zewnętrzna warstwa kropli stygnie tak szybko, że szklana struktura nie ma czasu na odbudowę. Rdzeń jest rozciągany, a warstwa zewnętrzna jest ściskana. Podobnie uzyskuje się szkło hartowane - nie ma ono jednak ogonka, za który tak łatwo można rozbić muszlę.