Steklene solze. Zanimiva lastnost kapljice princa Ruperta (video). Rupertove kapljice prihajajo iz ...

Pada princa Ruperta je videti kot stekleni paglavec, ki ga je ustvaril začetnik steklopihalec, vendar je tako trden, da ga ni mogoče razbiti niti s kladivom. Vendar je dovolj, da jo rahlo udarite po "repu", in se zdrobi v prah. Znanstveniki že skoraj 400 let poskušajo najti razlog za tako nerazložljive lastnosti in zdaj ima skupina raziskovalcev z Univerze v Cambridgeu in Tehnološke univerze v Talinu v Estoniji končno odgovor.

Batavske solze ali kapljice princa Ruperta so se prvič pojavile v 17. stoletju in postale znane, ko je princ Rupert Bavarski podaril pet teh malenkosti angleškemu kralju Karlu II. Leta 1661 so jih predložili v študij Kraljevi družbi, vendar so kljub skoraj štiristoletnim raziskavam šele zdaj našli razlago za njihove čudne lastnosti. Kapljice so narejene iz staljenega stekla z visokim koeficientom toplotnega raztezanja in se potopijo v posodo s hladno vodo. Staljeno steklo se takoj strdi v značilni obliki kapljice.

Za preučevanje kapljic princa Ruperta so znanstveniki uporabili tehniko, pri kateri je prozoren 3D predmet postavljen v potopno kopel, tako da polarizirana svetloba prehaja skozenj. Spremembe v polarizaciji svetlobe znotraj predmeta ustrezajo napetostnim linijam. Prejšnje delo fizikov iz Tallinna in Cambridgea, izvedeno leta 1994, je vključevalo snemanje eksplozije kapljice s hitrostjo skoraj milijon sličic na sekundo. V videoposnetku si lahko ogledate, kako se po poškodbi "repa" razpoke širijo kap za kapljico s hitrostjo okoli 6500 kilometrov na uro.

Nova študija je pokazala, da so tlačne napetosti stekla v "glavi" padca približno 50 ton na kvadratni palec, zaradi česar je tako močno kot jeklo. To se zgodi, ker se zunanja stran kapljice ohladi hitreje kot notranjost. Tako se na sredino "glave" padca izvaja ogromen pritisk, ki se kompenzira z raztezanjem.

Dokler so te sile v ravnovesju, je padec zelo močan in lahko prenese velike obremenitve. Če pa je "rep" poškodovan, je to ravnovesje porušeno in številne majhne razpoke se širijo vzporedno z njegovo osjo. Zgodi se s tako veliko hitrostjo, da spominja na eksplozijo.

V kapljici pogojno izpostavimo zunanjo plast in notranje jedro. Kapljica se ohladi s površine, njena zunanja plast se skrči in zmanjša prostornino, medtem ko jedro ostane tekoče in vroče.

Ko temperatura v notranjosti krogle pade, se bo tudi jedro začelo krčiti. Toda že trda zunanja plast se bo uprla procesu. S pomočjo medmolekularnih sil privlačnosti vztrajno drži jedro, ki je po ohlajanju prisiljeno zavzeti večjo prostornino, kot če bi se prosto ohladilo.

Posledično se na meji med zunanjo plastjo in jedrom pojavijo sile, ki vlečejo zunanjo plast navznoter in v njej ustvarjajo tlačne napetosti, notranjo jedro pa navzven in v njej ustvarjajo natezne napetosti.

Te napetosti so pri prehitrem ohlajanju zelo visoke. Tako se notranji del balona lahko odtrga od zunanjega dela, nato pa v kapljici nastane mehurček.

Zelo visoka zaostala obremenitev ima za posledico nenavadne lastnosti, kot je sposobnost, da prenese udarec kladiva na glavo kapljice princa Ruperta, ne da bi poškodoval njeno celovitost.

Če pa je rep rahlo poškodovan, se padec uniči z veliko hitrostjo. Uničenje poteka s hitrostjo 1658 metrov na sekundo, kar je približno 5968,8 kilometrov na uro.

), ali "danske solze". Padalna glava je neverjetno močna, zelo težko jo je mehansko poškodovati s stiskanjem: tudi močni udarci kladiva ali hidravlične stiskalnice ji ne poškodujejo. Vendar je vredno rahlo zlomiti krhki rep in celotna kapljica se bo v hipu razletela na majhne koščke.

To nenavadno lastnost steklene kapljice so prvič odkrili v 17. stoletju, bodisi na Danskem, bodisi na Nizozemskem (od tod tudi drugo ime zanje - Batavske solze) ali v Nemčiji (viri so nasprotujoči si), in nenavadna malenkost se je hitro razširila po vsem Evropa kot smešna igrača. Kapljica je dobila ime v čast glavnega poveljnika angleške kraljeve konjenice Ruperta Pfalškega, popularno znanega kot princ Rupert. Leta 1660 se je Rupert Pfalški po dolgem izgnanstvu vrnil v Anglijo in s seboj prinesel nenavadne steklene kapljice, ki jih je podaril Karlu II., ta pa jih je prenesel v raziskavo Kraljevski družbi v Londonu.

Tehnologija izdelave kapljice je bila dolgo zamolčana, na koncu pa se je izkazalo, da je zelo preprosta: v vedro mrzle vode spustimo staljeno steklo. V tej preprosti tehnologiji je skrivnost moči in šibkosti kapljice. Zunanja plast stekla se hitro strdi, zmanjša prostornino in začne pritiskati na še tekoče jedro. Ko se ohlaja tudi notranji del, se jedro začne krčiti, a temu sedaj nasprotuje že zmrznjena zunanja plast. S pomočjo medmolekularnih privlačnih sil drži ohlajeno jedro, ki je sedaj prisiljeno zavzeti večjo prostornino, kot če bi se prosto ohlajalo. Posledično se na meji med zunanjo in notranjo plastjo pojavijo nasprotne sile, ki potegnejo zunanjo plast navznoter in v njej nastane tlačna napetost, notranje jedro pa navzven, ki tvori natezno napetost. V tem primeru se lahko notranji del celo odtrga od zunanjega in takrat v kapljici nastane mehurček. Zaradi tega nasprotja je padec močnejši od jekla. Če pa se njegova površina kljub temu poškoduje z razbitjem zunanje plasti, se skrita sila napetosti sprosti in hiter val uničenja bo švignil z mesta poškodbe vzdolž celotnega padca. Hitrost tega valovanja je 1,5 km/s, kar je petkrat več od hitrosti zvoka v zemeljski atmosferi.

Isti princip je osnova za izdelavo kaljenega stekla, ki se uporablja na primer v vozilih. Poleg povečane trdnosti ima takšno steklo resno varnostno prednost: ko se poškoduje, se razbije na veliko majhnih kosov s topimi robovi. Navadno »surovo« steklo se razbije na velike ostre drobce, ki vas lahko resno poškodujejo. Kaljeno steklo se v avtomobilski industriji uporablja za bočna in zadnja stekla. Vetrobransko steklo za avtomobile je izdelano večplastno (triplex): dve ali več plasti sta zlepljeni s polimernim filmom, ki ob udarcu zadrži delce in preprečuje, da bi odleteli.

Veronika Samotskaya

Batavske solze ali bolonjske bučke, kakor tudi kapljice princa Ruperta, so utrjene kapljice iz kaljenega stekla z izjemno obstojnimi lastnostmi. V Anglijo jih je sredi 17. stoletja prinesel princ Rupert iz Palatinata. Hkrati so pritegnili veliko pozornost znanstvenikov.

17095 1 4 18

Najverjetneje so takšne steklene kapljice poznali steklopihači že od nekdaj, vendar so pozornost znanstvenikov pritegnile precej pozno: nekje sredi 17. stoletja. Pojavili so se v Evropi (po različnih virih na Nizozemskem, Danskem ali v Nemčiji). Tehnologija izdelave "solz" je bila skrivnost, a se je izkazala za zelo preprosto.

Če staljeno steklo spustiš v mrzlo vodo, dobiš kapljico v obliki paglavca z dolgim, ukrivljenim repom. Hkrati ima kapljica izjemno moč: njeno "glavo" lahko udarite s kladivom in se ne zlomi. Toda če zlomite rep, se kapljica takoj razbije na drobne koščke.

Slike, posnete s pomočjo hitre fotografije, kažejo, da se fronta "eksplozije" premika kap za kapljico z visoko hitrostjo: 1,2 km/s, kar je skoraj 4-krat več od hitrosti zvoka.

Zaradi hitrega ohlajanja steklena kapljica doživi močne notranje napetosti, kar povzroča tako čudne lastnosti. Zunanja plast kapljice se ohladi tako hitro, da se steklena struktura nima časa obnoviti. Jedro je raztegnjeno, zunanja plast pa stisnjena. Podobno se dobi kaljeno steklo - vendar nima tistega repa, za katerega je mogoče tako zlahka zlomiti lupino.