น้ำตาแก้ว. คุณสมบัติที่น่าสนใจของ Prince Rupert's drop (วิดีโอ) หยดของรูเพิร์ตมาจาก ...

หยดของ Prince Rupert ดูเหมือนลูกอ๊อดแก้วที่สร้างขึ้นโดยนักเป่าแก้วมือใหม่ แต่มันแข็งแกร่งมากจนไม่สามารถทำลายได้แม้แต่กับค้อน อย่างไรก็ตามมันก็เพียงพอแล้วที่จะตีเธอที่ "หาง" เบา ๆ และเธอก็สลายเป็นผง นักวิทยาศาสตร์พยายามค้นหาสาเหตุของคุณสมบัติที่อธิบายไม่ได้ดังกล่าวมาเกือบ 400 ปีแล้ว และในที่สุดทีมนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์และมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีทาลลินน์ในเอสโตเนียก็ได้คำตอบแล้ว

น้ำตาหรือหยดบาตาเวียนของเจ้าชายรูเพิร์ตปรากฏขึ้นครั้งแรกในศตวรรษที่ 17 และเริ่มมีชื่อเสียงเมื่อเจ้าชายรูเพิร์ตแห่งบาวาเรียถวายมโนสาเร่ 5 เรื่องเหล่านี้แด่พระเจ้าชาร์ลส์ที่ 2 แห่งอังกฤษ พวกเขาถูกส่งไปยังราชสมาคมเพื่อการศึกษาในปี ค.ศ. 1661 อย่างไรก็ตาม แม้จะมีการวิจัยมาเกือบสี่ศตวรรษ แต่คำอธิบายเกี่ยวกับคุณสมบัติที่แปลกประหลาดของพวกเขาก็เพิ่งค้นพบเท่านั้น หยดน้ำทำจากแก้วหลอมเหลวที่มีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนสูงและจุ่มลงในภาชนะบรรจุน้ำเย็น แก้วที่หลอมละลายจะแข็งตัวทันทีในลักษณะหยดน้ำ

ในการศึกษาหยดน้ำของเจ้าชายรูเพิร์ต นักวิทยาศาสตร์ใช้เทคนิคที่วางวัตถุ 3 มิติแบบโปร่งใสไว้ในอ่างแช่เพื่อให้แสงโพลาไรซ์ส่องผ่านเข้าไป การเปลี่ยนแปลงโพลาไรเซชันของแสงภายในวัตถุสอดคล้องกับเส้นแรงดัน งานก่อนหน้าของนักฟิสิกส์ทาลลินน์และเคมบริดจ์ซึ่งดำเนินการในปี 1994 รวมถึงการถ่ายทำการระเบิดของหยดด้วยความเร็วเกือบล้านเฟรมต่อวินาที ในวิดีโอคุณสามารถดูว่าหลังจากความเสียหายที่ "หาง" รอยแตกจะแพร่กระจายทีละหยดด้วยความเร็วประมาณ 6,500 กิโลเมตรต่อชั่วโมงได้อย่างไร

การศึกษาใหม่แสดงให้เห็นว่าแก้วมีแรงกดที่ "ส่วนหัว" ของหยดน้ำประมาณ 50 ตันต่อตารางนิ้ว ซึ่งทำให้แก้วมีความแข็งแรงพอๆ กับเหล็ก สิ่งนี้เกิดขึ้นเนื่องจากด้านนอกของหยดเย็นลงเร็วกว่าด้านใน ดังนั้นจึงเกิดแรงกดมหาศาลที่จุดกึ่งกลางของ "หัว" ของหยดน้ำ ซึ่งชดเชยด้วยการยืดออก

ตราบเท่าที่แรงเหล่านี้ยังคงอยู่ในสมดุล การหล่นจะแข็งแกร่งมากและสามารถทนต่อการรับน้ำหนักได้มาก แต่ถ้า "หาง" เสียหาย ความสมดุลนี้จะถูกรบกวน และรอยแตกเล็กๆ จำนวนมากจะขยายขนานไปกับแกนของมัน มันเกิดขึ้นด้วยความเร็วสูงจนคล้ายกับการระเบิด

ให้เราแยกชั้นนอกและแกนในออกอย่างมีเงื่อนไข หยดน้ำจะเย็นตัวลงจากพื้นผิว และชั้นนอกจะหดตัวและลดปริมาตรลงในขณะที่แกนกลางยังคงเป็นของเหลวและร้อน

หลังจากที่อุณหภูมิภายในลูกบอลลดลง แกนกลางก็จะเริ่มหดตัวเช่นกัน แต่ชั้นนอกที่แข็งอยู่แล้วจะต้านทานกระบวนการนี้ ด้วยความช่วยเหลือของแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุล เขายึดนิวเคลียสไว้อย่างเหนียวแน่น ซึ่งเมื่อเย็นตัวลงแล้ว จะถูกบังคับให้ครอบครองปริมาตรที่มากกว่าการที่มันเย็นลงอย่างอิสระ

เป็นผลให้เกิดแรงที่รอยต่อระหว่างชั้นนอกกับแกนกลาง ดึงชั้นนอกเข้าด้านใน ทำให้เกิดแรงอัดในชั้น และแกนในออกด้านนอก ทำให้เกิดแรงดึงขึ้นในชั้นนั้น

ความเครียดเหล่านี้จะสูงมากในระหว่างการทำความเย็นอย่างรวดเร็วเกินไป ดังนั้นส่วนในของลูกโป่งจึงแตกออกจากส่วนนอกได้ จากนั้นจึงเกิดฟองขึ้นในหยด

ความเครียดตกค้างที่สูงมากส่งผลให้เกิดคุณสมบัติที่ผิดปกติ เช่น ความสามารถในการทนต่อการทุบด้วยค้อนบนศีรษะของเจ้าชายรูเพิร์ตที่หล่นลงมาโดยไม่ทำลายความสมบูรณ์ของมัน

แต่ถ้าหางได้รับความเสียหายเล็กน้อย การหล่นจะถูกทำลายด้วยความเร็วสูง การทำลายเกิดขึ้นด้วยความเร็ว 1,658 เมตรต่อวินาที ซึ่งประมาณ 5968.8 กิโลเมตรต่อชั่วโมง

) หรือ "น้ำตาเดนมาร์ก" หัวดร็อปมีความแข็งแรงอย่างไม่น่าเชื่อ เป็นเรื่องยากมากที่จะสร้างความเสียหายทางกลไกด้วยแรงกด แม้แต่การทุบด้วยค้อนแรงๆ หรือเครื่องอัดไฮดรอลิกก็ไม่เป็นอันตรายต่อหัวดรอปเฮด แต่มันก็คุ้มค่าที่จะทำลายหางที่เปราะบางเล็กน้อยและหยดทั้งหมดจะแตกเป็นเศษเล็กเศษน้อยในพริบตา

คุณสมบัติที่น่าสงสัยของหยดน้ำแก้วถูกค้นพบครั้งแรกในศตวรรษที่ 17 ทั้งในเดนมาร์กหรือในฮอลแลนด์ (เพราะฉะนั้นชื่ออื่นสำหรับพวกเขา - น้ำตาบาตาเวียน) หรือในเยอรมนี (แหล่งที่มาไม่ตรงกัน) และสิ่งเล็กน้อยที่ผิดปกติแพร่กระจายอย่างรวดเร็วไปทั่ว ยุโรปเป็นของเล่นตลก หยดนี้มีชื่อเพื่อเป็นเกียรติแก่ผู้บัญชาการทหารสูงสุดแห่งราชวงศ์อังกฤษ Rupert of the Palatinate หรือที่รู้จักกันแพร่หลายในชื่อ Prince Rupert ในปี ค.ศ. 1660 Rupert of the Palatinate เดินทางกลับอังกฤษหลังจากถูกเนรเทศมาเป็นเวลานาน และนำแก้วทรงหยดน้ำที่ไม่ธรรมดามาด้วย ซึ่งเขาได้มอบให้ Charles II ซึ่งโอนให้ Royal Society of London เพื่อการวิจัย

เทคโนโลยีในการทำหยดน้ำนั้นถูกเก็บเป็นความลับมาเป็นเวลานาน แต่ในที่สุดมันก็กลายเป็นเรื่องที่ง่ายมาก เพียงแค่หยดแก้วที่หลอมละลายลงในถังน้ำเย็น ในเทคโนโลยีที่เรียบง่ายนี้มีความลับของจุดแข็งและจุดอ่อนของหยด ชั้นนอกของแก้วแข็งตัวอย่างรวดเร็ว ปริมาตรลดลง และเริ่มกดดันแกนกลางที่เป็นของเหลว เมื่อส่วนด้านในเย็นลงเช่นกัน แกนกลางจะเริ่มหดตัว แต่ตอนนี้ชั้นนอกที่แข็งอยู่แล้วจะต้านทานไว้ได้ ด้วยความช่วยเหลือของแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุล มันยึดแกนกลางที่เย็นลง ซึ่งตอนนี้ถูกบังคับให้ครอบครองปริมาตรที่มากกว่าหากมันเย็นลงอย่างอิสระ เป็นผลให้เกิดแรงต้านที่รอยต่อระหว่างชั้นนอกและชั้นใน ซึ่งดึงชั้นนอกเข้าด้านในและเกิดแรงอัดขึ้นในชั้นนั้น และแกนในออกไปด้านนอก ก่อตัวเป็นแรงดึง ในกรณีนี้ ชิ้นส่วนด้านในสามารถหลุดออกจากด้านนอกได้ และจากนั้นจะเกิดฟองขึ้นในหยด ฝ่ายค้านนี้ทำให้หยดแข็งแกร่งกว่าเหล็ก แต่ถ้าอย่างไรก็ตาม พื้นผิวของมันได้รับความเสียหายจากการแตกของชั้นนอก แรงดึงที่ซ่อนอยู่จะถูกปลดปล่อยออกมา และคลื่นแห่งการทำลายอย่างรวดเร็วจะกวาดล้างจากจุดที่เกิดความเสียหายไปทั่วทั้งหยด ความเร็วของคลื่นนี้คือ 1.5 กม./วินาที ซึ่งเร็วกว่าความเร็วของเสียงในชั้นบรรยากาศโลกถึงห้าเท่า

หลักการเดียวกันนี้รองรับการผลิตกระจกเทมเปอร์ซึ่งใช้ เช่น ในยานพาหนะ นอกจากความแข็งแรงที่เพิ่มขึ้นแล้ว กระจกดังกล่าวยังมีข้อได้เปรียบด้านความปลอดภัยอย่างมาก เมื่อได้รับความเสียหาย กระจกจะแตกเป็นชิ้นเล็ก ๆ ที่มีขอบทู่ แก้ว “ดิบ” ธรรมดาจะแตกเป็นเศษเล็กเศษน้อยที่แหลมคมซึ่งอาจทำให้คุณบาดเจ็บสาหัสได้ กระจกนิรภัยในอุตสาหกรรมยานยนต์ใช้สำหรับกระจกด้านข้างและด้านหลัง กระจกหน้ารถสำหรับรถยนต์ทำขึ้นหลายชั้น (สามเท่า): สองชั้นขึ้นไปติดกาวพร้อมกับฟิล์มโพลิเมอร์ซึ่งเมื่อกระแทกจะจับชิ้นส่วนและป้องกันไม่ให้หลุดออกจากกัน

เวโรนิก้า ซาโมตสกายา

หยดน้ำตาบาตาเวียนหรือขวดโบโลญญา รวมถึงหยดน้ำของเจ้าชายรูเพิร์ตเป็นกระจกนิรภัยทรงหยดน้ำที่ผ่านการชุบแข็งและมีคุณสมบัติทนทานอย่างยิ่ง พวกเขาถูกนำไปอังกฤษโดยเจ้าชายรูเพิร์ตแห่งพาลาทิเนตในช่วงกลางศตวรรษที่ 17 ในขณะเดียวกันก็ดึงดูดความสนใจของนักวิทยาศาสตร์อย่างใกล้ชิด

17095 1 4 18

เป็นไปได้มากว่าหยดแก้วดังกล่าวเป็นที่รู้จักในหมู่นักเป่าแก้วตั้งแต่ไหน แต่ไร แต่พวกเขาดึงดูดความสนใจของนักวิทยาศาสตร์ค่อนข้างช้า: ที่ไหนสักแห่งในกลางศตวรรษที่ 17 พวกเขาปรากฏตัวในยุโรป (ตามแหล่งต่าง ๆ ในฮอลแลนด์ เดนมาร์ก หรือเยอรมนี) เทคโนโลยีในการทำ "น้ำตา" ถูกเก็บเป็นความลับ แต่กลับกลายเป็นว่าง่ายมาก

หากคุณหย่อนแก้วที่หลอมละลายลงในน้ำเย็น คุณจะได้หยดน้ำที่มีรูปร่างคล้ายลูกอ๊อดที่มีหางโค้งยาว ในขณะเดียวกัน หยดน้ำก็มีความแข็งแรงเป็นพิเศษ: "หัว" ของมันสามารถถูกทุบด้วยค้อนได้ และมันจะไม่แตก แต่ถ้าคุณหักหาง หยดนั้นจะแตกเป็นชิ้นเล็กๆ ทันที

เฟรมที่บันทึกโดยใช้การถ่ายภาพความเร็วสูงแสดงให้เห็นว่าการเคลื่อนที่ด้านหน้า "การระเบิด" ลดลงทีละหยดด้วยความเร็วสูง: 1.2 กม./วินาที ซึ่งสูงกว่าความเร็วเสียงเกือบ 4 เท่า

อันเป็นผลมาจากการเย็นตัวอย่างรวดเร็ว การตกของแก้วจะประสบกับความเครียดภายในที่รุนแรง ซึ่งทำให้เกิดคุณสมบัติที่แปลกประหลาดดังกล่าว ชั้นนอกของหยดเย็นลงอย่างรวดเร็วจนโครงสร้างกระจกไม่มีเวลาสร้างใหม่ แกนถูกยืดและชั้นนอกถูกบีบอัด ในทำนองเดียวกันจะได้รับกระจกนิรภัย - อย่างไรก็ตามมันไม่มีหางซึ่งเป็นไปได้ที่จะทำให้เปลือกแตกได้ง่าย