Капли принца руперта

«Батавские слезки»

В 1625 году кузен короля Карла II, принц Руперт, очень образованный для своего времени человек – привез монарху каплю стекла, изготовленную голландскими умельцами. Выглядела она как обычная стеклянная капля, но с хвостиком. Ее уникальность заключалась в особой прочности: чем бы ни пытались разбить каплю, это было бесполезно. Новая уникальная вещица быстро получила название «капли Руперта», хотя в самой Голландии ее называли «батавские слезки» – от Батавия (латинское название Нидерландов). На протяжении длительного времени секрет изготовления этих капель содержался в большом секрете. Их продавали в основном в качестве забавных игрушек. Но и те, кто изобрел такой способ изготовления капель, вряд ли сами могли объяснить, по какой причине они имеют такую прочность. Правда, один из членов Королевского научного общества, существовавшего при Карле II, Роберт Гук, который отвечал за проведение эксперимента, уже тогда высказал очень правильное предположение. По его мнению, необычные свойства расплавленная стеклянная капля приобретала в момент погружения в холодную воду.

В чем секрет

Научное обоснование этому чуду было дано лишь три столетия спустя. Ученые Общественного университета исследования естественных наук в США, известного как Университет Пердью и Кембриджского университета в 1944 году провели наблюдения. С помощью высокоскоростной кодирующей съемки они пронаблюдали процесс разрушения капли. Как выяснилось, ее поверхность испытывает очень высокую компрессионную нагрузку, а внутренняя часть стеклянного изделия находится под влиянием сил высокого напряжения. Если проследить процесс образования капли по секундам, то все будет выглядеть следующим образом: стекло, разогретое до 600 градусов по шкале Цельсия, опускают в ледяную воду, где оно начинает мгновенно охлаждаться. Понятно, что вначале воздействию холодной температуры подвергается внешний слой стекла, который, остывая, сжимается. Тем самым он образует своего рода оболочку. В то же время внутренняя часть капли все еще продолжает оставаться жидкой, так как она не подвержена столь резкому перепаду температур и у нее не происходит сжатия. В этот момент между внутренней частью капли и ее оболочкой возникает огромное напряжение, которое является естественной силой сопротивления внешнему давлению, не позволяющей разрушать каплю.

К дальнейшим исследованиям присоединились сотрудники Таллинского технологического университета. Они установили, что разбить каплю можно только в том случае, если создать трещину, способную проникнуть в зону ее внутреннего напряжения. Но сделать это силовым давлением на каплю оказалось очень непростой задачей. Помните сказку про репку? Дед бил, не разбил, баба била, не разбила, мышка бежала, хвостиком задела, яичко упало и разбилось. И здесь ученые установили, что весь секрет прочности капли – в ее хвостике. Достаточно щелкнуть по стеклянному хвостику обычным щелчком, и вся капля распадется на мельчайшие частицы. Все дело в том, что при ударе напрямую по капле, трещины на поверхности разрастаются параллельно поверхности и не могут попасть в зону напряжения. Но если будет нарушен хвостик, трещины моментально попадут в эту зону, высвободят накопленную энергию что и приведет к разрушению всей капли. Ученые даже подсчитали, что при нарушении хвостика батавских слезок разрушительные трещины распространяются со скоростью 6500 километров в час.

Эти свойства капель Руперта сегодня широко используются не только в автомобильной, но и в оптической промышленности, а также при изготовлении экранов смартфонов и во многих других областях.

1

Poop

Heart

Haha

Love

Wow

Yay

Sad

Angry

Физическое объяснение

Расплавленное стекло при понижении температуры не кристаллизуется, а переходит в стеклообразное состояние, то есть атомы твердеющего стекла не успевают занять свои «правильные», такие же, как в кристалле, места, а формируют структуру, подобную структуре жидкости

Важно отметить, что характеристики стекла в этом состоянии — в частности, объём — существенно зависят от скорости охлаждения расплава.. Когда капля стекла, расплавленного при температуре 400—600 °C, попадает в воду, её внешний слой охлаждается так быстро, что структура стекла не успевает перестроиться, и соответствующее изменение (уменьшение) объёма мало́

С другой стороны, сердцевина капли остывает медленно, и потому структура стекла сердцевины изменяется в гораздо большей степени, чем у стекла в наружном слое. Однако объём сердцевины не может измениться соответственно изменению структуры, поскольку такому изменению объёма препятствует внешний слой. В результате сердцевина оказывается растянута, а внешний слой — сжат. Иначе говоря, во внутренней части остывшей капли действуют механические напряжения растяжения, а во внешней части — напряжения сжатия. Сжатая оболочка очень прочна (так же устроены, например, донышки аэрозольных баллонов или бетонные тоннели метро), но если оболочку разрушить, все напряжения высвобождаются, и капля взрывается.

Когда капля стекла, расплавленного при температуре 400—600 °C, попадает в воду, её внешний слой охлаждается так быстро, что структура стекла не успевает перестроиться, и соответствующее изменение (уменьшение) объёма мало́. С другой стороны, сердцевина капли остывает медленно, и потому структура стекла сердцевины изменяется в гораздо большей степени, чем у стекла в наружном слое. Однако объём сердцевины не может измениться соответственно изменению структуры, поскольку такому изменению объёма препятствует внешний слой. В результате сердцевина оказывается растянута, а внешний слой — сжат. Иначе говоря, во внутренней части остывшей капли действуют механические напряжения растяжения, а во внешней части — напряжения сжатия. Сжатая оболочка очень прочна (так же устроены, например, донышки аэрозольных баллонов или бетонные тоннели метро), но если оболочку разрушить, все напряжения высвобождаются, и капля взрывается.

Аналогичным образом получают закалённое стекло — однако у него нет того хвостика, за который можно сломать оболочку (точнее, такими «хвостиками» являются углы с наибольшей кривизной). Если оболочку всё-таки удастся сломать (например, вставив стакан из такого стекла в другой стакан и нагрев, или ударив по торцу листа из такого стекла), возможен такой же «взрыв».

Опыт

Если капнуть расплавленным стеклом в холодную воду, получается капля в форме головастика, с длинным изогнутым «хвостом». При этом капля обладает исключительной прочностью: по её «голове» можно бить молотком, и она не разобьётся. Но если надломить хвостик, капля мгновенно разлетается на мелкие осколки. Опыт необходимо проводить в защитных очках, так как «взрывающееся» стекло очень опасно.

На кадрах, зарегистрированных с помощью высокоскоростной съёмки, видно, что фронт «взрыва» движется по капле с большой скоростью: 1,2 км/с (для сравнения: скорость звука в воздухе 0,34 км/с, скорость детонации взрывчатки — 2—9 км/с). Если опыт проводится в темноте, заметна также триболюминесценция.

В поляризованном свете видно, что капля не изотропна, а испытывает сильные внутренние напряжения, что и вызывает такие странные свойства.

Капли принца Руперта как сделать

Для того чтобы сделать капли принца Руперта необходимо расплавленное стекло поместить в воду. При попадании расплавленного стекла в холодную воду, происходит процесс его очень быстрого застывания с одновременным накоплением огромного внутреннего напряжения. Причем остывание происходит хоть быстро, но не мгновенно поэтому когда поверхностный слой уже остыл, затвердел и уменьшился в объеме, внутренняя часть капли, назовем ее условно ядро, все еще находится в жидком и расплавленном состоянии.

Далее начинает остывать и сжиматься ядро, но сжиматься ему мешают межмолекулярные связи с внешним уже твердым слоем, в результате чего после остывания ядро занимает объем больший, чем если бы оно охлаждалось в свободном виде.

Из-за этого на границе внешнего слоя и ядра действуют силы с противоположным направлением, которые тянут внешний слов вовнутрь, а ядро наружу и создающие соответственно напряжение сжатия для внешнего слоя и напряжение растяжения для внутреннего ядра. В итоге мы имеем огромное внутренне напряжение, которое делает каплю очень прочной, но в тоже время любое повреждение внешнего слоя приводит к нарушению структуры и стеклянному взрыву, ну а так как самое тонкое место это хвостик, именно через него и можно разрушить наружный слой для того чтобы получился такой красивый взрыв как на видео выше или на фото ниже:

А это видео для тех кому легче воспринимать видеоинформацию, чем читать много букв: