Скляні сльози. Цікава властивість краплі принца Руперта (відео). Краплі Руперта родом із …

Крапля принца Руперта виглядає як скляний пуголовок, створений склодувом-новачком, але вона настільки міцна, що її неможливо розбити навіть молотком. Однак досить злегка вдарити її по «хвості», і вона розсипається на порошок. Причину таких незрозумілих якостей вчені намагалися знайти протягом майже 400 років, і тепер команда дослідників з Кембриджського університету та Талліннського технічного університету в Естонії, нарешті, має відповідь.

Батавські сльози або краплі принца Руперта вперше з'явилися в 17 столітті і стали відомими, коли принц Руперт Баварський представив п'ять цих дрібниць королю Англії Карлу II. Вони були передані в Королівське Товариство для вивчення в 1661 році, однак, незважаючи на майже чотири століття досліджень, пояснення їхніх дивних якостей було знайдено тільки зараз. Краплі виготовляються з розплавленого скла з високим коефіцієнтом теплового розширення і опускають у посудину з холодною водою. Розплавлене скло миттєво застигає у характерній формі краплі.

Для вивчення крапель принца Руперта вчені використовували методику, де прозорий 3D-об'єкт встановлюють в імерсійній ванній, щоб через нього проходило поляризоване світло. Зміни поляризації світла всередині об'єкта відповідають лініям напруги. Попередня робота талінських і кембриджських фізиків, проведена ще в 1994 році, включала зйомки вибуху краплі зі швидкістю майже мільйон кадрів в секунду. На відео можна побачити, як після пошкодження «хвоста», тріщини поширюються краплею зі швидкістю близько 6,500 кілометрів на годину.

Нове дослідження показало, що напруга стиснення скла у «головці» краплі становить близько 50 тонн на квадратний дюйм, що робить її за міцністю рівною сталі. Так відбувається, тому що зовні крапля остигає швидше, ніж усередині. Таким чином, на центр «головки» краплі нагнітається величезний тиск, який компенсується розтягуванням.

Поки ці сили залишаються рівноважними, крапля дуже міцна і може витримувати значні навантаження. Але при пошкодженні «хвоста» ця рівновага порушується, і безліч дрібних тріщин поширюються паралельно до її осі. Відбувається це з такою високою швидкістю, що нагадує вибух.

Умовно виділимо в краплі зовнішній шар та внутрішнє ядро. Крапля охолоджується з поверхні, і її зовнішній шар стискається і зменшується обсягом, поки ядро ​​залишається рідким і гарячим.

Після того, як усередині кульки знизиться температура, почне стискатися і ядро. Але процесу опиратиметься вже жорсткий зовнішній шар. За допомогою міжмолекулярних сил тяжіння він чіпко тримає ядро, яке, охолонувши, змушене займати більший обсяг, ніж, якби воно охолонуло вільно.

В результаті на межі між зовнішнім шаром і ядром виникнуть сили, що тягнуть зовнішній шар всередину, створюючи в ньому напругу стиснення, а внутрішнє ядро ​​- назовні, створюючи в ньому розтягування напруги.

Ця напруга при дуже швидкому охолодженні дуже велика. Так що внутрішня частина кульки може відірватися від зовнішньої частини, і тоді в крапельці утворюється бульбашка.

Дуже висока залишкова напруга призводить до появи незвичайних якостей, наприклад, таких, як здатність витримувати удар молотком по головній частині краплі принца Руперта, не порушуючи її цілісність.

А от якщо трохи пошкодити хвостик, то крапля руйнується з величезною швидкістю. Руйнування відбувається зі швидкістю 1658 метрів за секунду, що становить приблизно 5968,8 кілометрів на годину.

), або «датської сльози». Головка краплі неймовірно міцна, її дуже складно механічно пошкодити шляхом стиснення: навіть сильні удари молота або гідравлічний прес не завдають їй жодної шкоди. Але варто злегка надламати тендітний хвіст, і вся крапля миттєво розлетиться на дрібні уламки.

Цю цікаву властивість скляної краплі вперше виявили в XVII столітті чи то в Данії, чи то в Голландії (звідси ще одна їхня назва - батавські сльози), чи то в Німеччині (джерела суперечливі), і незвичайна річ швидко поширилася Європою як забавна іграшка. . Свою назву крапля отримала на честь головнокомандувача англійської королівської кавалерії Руперта Пфальцського, відомого в народі як принц Руперт. У 1660 році Руперт Пфальцський повернувся до Англії після довгого вигнання і привіз із собою незвичайні скляні краплі, які підніс Карлу II, а той передав їх для досліджень до Лондонського королівського товариства.

Технологію виготовлення краплі довго тримали в секреті, але в результаті виявилося, що вона дуже проста: досить капнути розплавлене скло у відро з холодною водою. У цій нехитрій технології і криється секрет сили та слабкості краплі. Зовнішній шар скла швидко застигає, зменшується в обсязі і починає давити на все ще рідке ядро». Коли внутрішня частина теж остигає, ядро ​​починає стискатися, проте тепер цьому протидіє зовнішній шар, що вже застиг. За допомогою міжмолекулярних сил тяжіння він утримує ядро, що охололо, яке тепер змушене займати більший обсяг, ніж якби воно охолонуло вільно. У результаті межі між зовнішнім і внутрішнім шаром виникають протиборчі сили, які тягнуть зовнішній шар всередину, й у ньому утворюється напруга стиснення, а внутрішнє ядро ​​- назовні, утворюючи напругу розтягування. При цьому внутрішня частина може навіть відірватися від зовнішньої, і тоді в краплі утворюється бульбашка. Це протистояння робить краплю міцнішою за сталь. Але якщо все-таки пошкодити її поверхню, порушивши зовнішній шар, прихована сила напруги звільниться, і від місця пошкодження вздовж усієї краплі прокотиться стрімка хвиля руйнування. Швидкість цієї хвилі - 1,5 км/с, що у п'ять разів швидше за швидкість звуку в атмосфері Землі.

Цей принцип лежить в основі виготовлення загартованого скла, яке використовують, наприклад, в автотранспорті. Крім підвищеної міцності, таке скло має серйозну перевагу в безпеці: при пошкодженні воно розбивається на безліч дрібних шматочків з тупими краями. Звичайне «сире» скло розлітається на великі гострі уламки, якими можна серйозно поранитися. Загартоване скло в автомобільній промисловості використовують для бічних та задніх вікон. Лобове скло для автомобілів роблять багатошаровим (триплекс): два або більше шари склеюють полімерною плівкою, яка при ударі утримує уламки і не дає їм розлітатися.

Вероніка Самоцька

Батавські слізки або болонські склянки, а також краплі принца Руперта - це застиглі краплі загартованого скла, що мають надзвичайно міцні властивості. До Англії їх привіз принц Руперт Пфальцький у середині XVII століття. Тоді ж вони привернули пильну увагу вчених.

17095 1 4 18

Швидше за все, подібні скляні краплі були відомі склодувам з незапам'ятних часів, проте увагу вчених вони привернули досить пізно: десь у середині XVII століття. З'явилися вони в Європі (за різними джерелами, у Голландії, Данії чи Німеччині). Технологія виготовлення «слізок» трималася в секреті, але насправді виявилася дуже простою.

Якщо капнути розплавленим склом у холодну воду, виходить крапля у формі пуголовка, з довгим вигнутим хвостом. При цьому крапля має виняткову міцність: по її «голові» можна бити молотком, і вона не розіб'ється. Але якщо надломити хвостик, крапля миттєво розлітається на дрібні уламки.

На кадрах, зареєстрованих за допомогою високошвидкісної зйомки, видно, що фронт «вибуху» рухається краплею з великою швидкістю: 1,2 км/с, що майже в 4 рази вище швидкості звуку.

В результаті різкого охолодження, скляна крапля зазнає сильної внутрішньої напруги, що і викликає такі дивні властивості. Зовнішній шар краплі охолоджується так швидко, що структура скла не встигає перебудуватись. Серцевина виявляється розтягнута, а зовнішній шар – стиснутий. Аналогічним чином одержують загартоване скло - однак у нього немає того хвостика, за який можна так легко зламати оболонку.